Naatriumpump

Naatriumpump ehk Na+/K+-ATPaas ehk naatrium-kaalium-adenosiintrifosfataas ehk Na+/K+-pump ehk Na/K-pump ehk naatrium-kaaliumpump on membraani läbiv (transmembraanne) antiporter-tüüpi valk, mis kannab naatriumi rakust välja ning kaaliumi rakku sisse. Naatriumpump paikneb rakkude plasmamembraanis. Transportimiseks vajalik energia saadakse adenosiintrifosfaadi (ATP) hüdrolüüsil. Naatriumpump kasutab ioonide liigutamiseks primaarse aktiivse transpordi mehhanismi, mis tähendab, et ATP hüdrolüüsil saadav energia kasutatakse ioonide transpordiks. Naatriumpump on rakkudele oluline väliskeskkonnast tulevate signaalide vastuvõtuks ning nendele reageerimiseks. Naatriumpumba avastas Taani keemik Jens Christian Skou. Selle avastuse eest sai ta 1997. aastal Nobeli keemiaauhinna. Skou sai endale pool auhinnast, teise poole said Paul Delos Boyer ja John Ernest Walker. Naatrium-kaaliumpump on üks P-tüüpi (E1E2) ATPaaside hulka kuuluvatest kandjavalkudest. ATPaasid on ensüümid, mis aitavad kaasa ATP lagundamisele ADP-ks (adenosiindifosfaat) ja fosfaatiooniks. P-tüüpi kandjavalkude klassi kuuluvad lisaks naatriumpumbale veel näiteks Ca2+-ATPaas, mis paikneb samuti plasmamembraanis või lihasrakkude puhul sarkoplasmaatilises retiikulumis, ja H+-ATPaas, mis on oluline rakusisese pH ning membraanipotentsiaali säilitamises taimedes ja pärmides. Kuigi P-klassi pumbad transpordivad väga erinevaid ioone, on nad üksteisele üllatavalt sarnased. Kõik nad koosnevad umbes 900–1200 aminohappe pikkustest polüpeptiididest ning nende normaalses töös on oluline osa konserveerunud aspartaadijäägil. Selliste pumpade ATPaasne aktiivsus sõltub vastavate ioonide olemasolust. Naatriumpump koosneb kahest erinevast valgust: suurest katalüütilisest α alaühikust ja väiksemast β alaühikust. Na/K-pump on tetrameerne valk ja selle koosseisu kuuluvad 2 α ja 2 β alaühikut. Nii α kui ka β alaühikul on mõlemal mitu erinevat isovormi. α puhul on teada neli erinevat isovormi, mille avaldumismäär erinevates kudedes ja arenguetappides on erinev. Näiteks roti puhul on α1 üldlevinud „koduhoidja“ isovorm ning α2 on avaldunud lihastes, närvides ja täiskasvanud südames. α3 on olemas närvides, ajus ja loote südames ning α4 avastati roti munandites, kus ta arvatavasti osaleb spermatogeneesis ja spermide liikumises. Isovormide erinevus seisneb selles, et nad seovad erineva tugevusega katioone ja ATP-d. Ioonide ülekande käigus fosforüülub ja defosforüülub valgu α alaühik, mille koosseisus on lisaks ATP seondumiskohale ka aminohapped katioonide seondumiseks. Fosforüülumise käigus seondub valgus konserveerunud aspartaadijäägile fosfaatrühm ning defosforüülumise käigus fosfaatrühm vabaneb sealt. Fosforüülumine ja defosforüülumine põhjustavad valgu erinevate piirkondade vahel sellised asendi muutused, mille tulemusena toimub ioonide transport läbi rakumembraani ühelt poolt teisele. β alaühiku roll on aga tagada pumba stabiilsus ning kinnitamine kindlasse asendisse ja õigesse kohta plasmamembraanis. Rakumembraan on tavaliselt laenguga ioonidele läbimatu. See võimaldab rakkudel otsustada, kui palju ning millised ioonid liiguvad läbi membraani rakku sisse ja sealt välja. Primaarse aktiivse transpordi, mida naatriumpump kasutab, võib jagada viieks etapiks: Kolm naatriumiooni ja ATP seonduvad valguga raku tsütoplasma poolselt küljelt ehk raku seest. Toimub ATP hüdrolüüs, mille tulemusena valgu α alaühik fosforüülub aspartaadi koha pealt ning vabaneb ADP. Valgu erinevad osad muudavad oma asendit teineteise suhtes nii, et naatriumioonid kantakse rakust välja. Kuna naatriumioonid fosforüülitud valgule enam nii tugevasti ei seondu, vabanevad nad väliskeskkonda. Fosforüülitud kujul seob valk tugevamini kaaliumioone ning seetõttu seob ta väliskeskkonnast endaga kaks kaaliumiooni. See põhjustab valgu defosforüülumise, mille tulemusel valk võtab tagasi oma esialgse kuju, liigutades nii kaaliumi rakku sisse. Defosforüülitud valgul on jällegi tugevam seondumine naatriumioonidega ning seetõttu kaaliumioonid vabanevad raku sisemusse. Valguga seondub uus ATP ning tsükkel algab otsast peale. Kõikidel uuritud rakutüüpidel on leitud teatud süsteem, mille abil reguleerida ioonide sisaldust rakusiseses keskkonnas. Üldine reegel on, et raku sees hoitakse suur kaaliumioonide ja väike naatriumioonide suhteline sisaldus. Rakusisese kaaliumi kontsentratsioonivahemik selgroogsetes on üsna kitsas, umbes 100–200 mM. Magedas vees elavatel organismidel on rakusisese kaaliumi sisaldus tihti palju väiksem, 15–30 mM, aga see on siiski märkimisväärselt suur võrreldes neid ümbritseva väliskeskkonnaga, kus kaaliumioone võib olla kõigest mikrokogustes. Rakkude erakordne võime kontrollida oma sisemist kaaliumi kontsentratsiooni võimaldab teatud organismidel elada ekstreemselt soolastes tingimustes. Näiteks Halobacterium salinarium suudab oma rakkudes hoida kaaliumit kontsentratsioonis 4 mM ning seda tingimustes, kus välises keskkonnas on 4 M naatriumkloriidi sisaldus ja peaaegu üldse mitte kaaliumit. Naatriumpump on oluline ka kõrgemate organismide füsioloogilistes protsessides. Plasmamembraani puhkeoleku- ning aktsioonipotentsiaal sõltuvad raku sees ja väljas olevate ioonide kontsentratsioonide erinevusest. Iga ATP molekuli hüdrolüüsi kohta toimub kolme naatriumiooni transport rakust välja ning kahe kaaliumiooni transport rakku sisse. Rakkude sees hoitakse sel viisil madalat naatriumi ja kõrget kaaliumi taset. Kuna transport on ebavõrdne (3Na+/2K+), siis tekitab see rakumembraanil nii keemilise kui ka elektrilise gradiendi, sest ioonide summaarne laeng ning kontsentratsioon kummalgi pool membraani on erinevad. Naatriumi ja kaaliumi sellisel transpordil tekkivad potentsiaalid on olulised kõrgemate organismide närviimpulsside ülekandes ning lihaste töös. Protistides on neil oluline roll keskkonnast tulevatele signaalidele reageerimises. Keemiline gradient, mis naatriumi rakust välja pumpamisega tekitatakse, on vajalik mitmetele sekundaarset aktiivset transporti kasutavatele transportvalkudele. Tekkivat gradienti kasutatakse näiteks glükoosi, aminohapete ja teiste toitainete sissetoomiseks rakku. Sekundaarne aktiivne transport tähendab seda, et kindla ühendi kandmiseks rakku ei kasutata mitte enam ATP hüdrolüüsil vabanevat energiat nagu primaarse aktiivse transpordi puhul, vaid rakumembraanile tekitatud mingi teise aine keemilist gradienti. Naatriumpump tekitab membraanile naatriumgradiendi. Seda kasutab omakorda ära Na+/glükoos-transporter, mis koos naatriumioonidega kannab rakku sisse ka glükoosi vahekorras 2 naatriumiooni ühe glükoosi molekuli kohta. Kuna naatriumi transport toimub piki gradienti ehk naatrium justkui voolaks rakku ise sisse, kuna teda on rakus vähem, kui rakust väljas, siis ei ole selleks vaja kulutada täiendavat energiat. Seetõttu nimetataksegi seda sekundaarseks aktiivseks transpordiks. Lisaenergiat enam glükoosi liigutamiseks ei kulutata, kuid selleks, et naatriumi gradient saaks tekkida, peab naatriumpump ATPd hüdrolüüsima ning energiat kulutama. Lisaks naatriumi pumpamisele rakkudest välja on oluline roll ka kaaliumi juhtimises rakkudesse sisse. Nimelt on kaalium vajalik mitmete valkude sünteesis, samuti osade valkude maksimaalse aktiivsuse saavutamisel, näiteks 6-fosfofruktokinaasi ning püruvaadi kinaasi töös. Lisaks sellele, et Na/K-ATPaas pumpab ioone läbi membraani, on ta oluline ka mitmete valgukomplekside kokkupanekul, mis edastavad signaale erinevate rakusiseste ruumide vahel. Naatriumpumba signaali edastamise funktsioon on tekkinud evolutsiooni käigus nii, et valgus olevad spetsiifilised seondumiskohad, mis on olulised erinevatele ligandidele, on ajapikku omavahel ühinenud. Vead naatriumpumpade normaalses töös võivad endaga kaasa tuua mitmeid probleeme. Üheks näiteks on rakkude paisumine, kuna naatriumpump on oluline selleks, et säilitada õiget ioonide kontsentratsiooni rakkudes. Erinevate ioonide ning valkude ja teiste orgaaniliste ühendite kontsentratsioonid määravad rakkude osmolaarsuse. Naatrium tavaliselt koguneb rakkudesse, et neutraliseerida tsütoplasmas olevate makromolekulide negatiivseid laenguid. Kui naatriumi piisavalt rakkudest välja ei pumbata ja rakkude osmolaarsus suureneb, siis liigub vesi osmoosi tõttu rakkudesse, põhjustades nende paisumise või ka lüüsumise. On selge, et naatrium mängib vähemalt loomarakkudes olulist rolli raku normaalses funktsioneerimises ja terviklikkuses. Siiski on keeruline väita, kas need vajadused kehtivad ka teiste organismide puhul. Näiteks taimerakkude ja mikroorganismide rakuseinad on piisavalt tugevad, et mitte lasta rakkudel paisuda. Pumba töös esinevad häired võivad olla geneetilist päritolu. Üheks näiteks on kiire algusega düstoonia- parkinsonism (Rapid-onset dystonia parkinsonism), mis on harvaesinev neuroloogiline häire. Selle põhjustajaks on mutatsioon naatriumpumba α3 isovormis, mis on oluline närvides ja aju normaalses talitluses. Mutantse geeni korral on ensüümi võime siduda naatriumioone tunduvalt langenud, mistõttu rakusisene naatrium ei seondu enam ensüümile sellise tugevusega nagu vajalik. Lingrel, J. B., ja Kuntzweiler, T. (1994). Na/K-ATPase. The Journal of Biological Chemistry, 269, 19659–19662 Tedeschi, H., "Cell Physiology: molecular dynamics", Academic Press Inc., U.S., 1974 Nobeli auhinna 1997. aasta laureaadid Nobelprize.org (Vaadatud 21.10.2013) Segall, L., Daly, S. E., Blostein, R. (2001). Mechanistic Basis for Kinetic Differences between the Rat α1, α2, and α3 Isoforms of the Na,K-ATPase. The Journal of Biological Chemistry, 276, 31535-31541 Xie, Z., Cai, T. (2003). Na/K-ATPase-mediated signal transduction: from protein interaction to cellular function. Molecular Interventions 3, 157–168 Einholm, A. P., Toustrup-Jensen, M. S., Holm, R., Andersen, J. P., Vilsen, B. (2010). The Rapid-onset dystonia parkinsonism mutation D923N of the Na+,K+-ATPase alpha3 isoform disrupts Na+ interaction at the third Na+ site. The Journal of Biological Chemistry, 285, 26245-26254