세포의 칼륨 나트륨 펌프. 생물학적 펌프

이는 거의 모든 인간 세포뿐만 아니라 다른 유기체의 세포에서도 발견됩니다. 주요 목적은 세포 잠재력을 유지하고 세포량을 조절하는 것입니다.

동작 원리

액션 다이어그램

처음에 이 항이동 수송체는 3개의 Na+ 이온을 막 안쪽에 부착합니다. 이 이온은 ATPase 활성 부위의 형태를 변화시킵니다. 이러한 활성화 후 ATPase는 ATP 분자 1개를 가수분해할 수 있으며, 인산 이온은 막 내부의 수송체 표면에 고정됩니다. 방출된 에너지는 ATPase의 형태를 변화시키는 데 사용되며, 그 후 세 개의 Na + 이온과 PO 4 3-(인산염) 이온이 막 외부에 도달합니다. 여기서 Na + 이온은 분리되고 PO 4 3- 는 두 개의 K + 이온으로 대체됩니다. 그런 다음 운반체의 형태는 원래의 형태로 바뀌고 K + 이온은 결국 막의 안쪽에 있게 됩니다. 여기서 K+ 이온이 분리되고 캐리어가 다시 작동할 준비가 됩니다.

ATPase의 작용을 더 간략하게 설명하면 다음과 같습니다.

• 1) 세포 내부에서 3개의 Na + 이온을 "흡수"한 다음 ATP 분자를 분리하고 그 자체에 인산염을 추가합니다.
• 2) Na + 이온을 "내보내고" 외부 환경에서 K + 이온 2개를 붙입니다.
• 3) 인산염을 분리하여 두 개의 K+ 이온을 세포 내로 방출합니다.

그 결과, 세포외 환경에서는 고농도의 Na+ 이온이 생성되고, 세포 내부에서는 고농도의 K+ 이온이 생성됩니다. Na + ,K + - ATPase의 작용은 농도 차이뿐만 아니라 전하 차이도 생성합니다(전자 펌프처럼 작동함). 막 외부에는 양전하가 생성되고 내부에는 음전하가 생성됩니다.

이야기

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위키미디어 재단. 2010.

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이것은 막의 전체 두께를 관통하는 특수 단백질로, 칼륨 이온을 세포 안으로 지속적으로 펌핑하는 동시에 나트륨 이온을 세포 밖으로 펌핑합니다. 이 경우 두 이온의 이동은 농도 구배에 반하여 발생합니다. 이러한 기능은 이 단백질의 두 가지 중요한 특성으로 인해 가능합니다. 첫째, 수송체 분자의 모양이 바뀔 수 있습니다. 이러한 변화는 ATP 가수분해(즉, ATP가 ADP 및 인산 잔기로 분해되는 과정) 동안 방출되는 에너지로 인해 운반체 분자에 인산염 그룹이 추가된 결과로 발생합니다. 둘째, 이 단백질 자체는 ATPase(즉, ATP를 가수분해하는 효소) 역할을 합니다. 이 단백질은 나트륨과 칼륨을 운반하고 ATPase 활성도 갖고 있기 때문에 "나트륨-칼륨 ATPase"라고 불립니다.

단순화된 방법으로 나트륨-칼륨 펌프의 작용은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

1. 막 내부에서 ATP와 나트륨 이온이 담체 단백질 분자로 들어가고, 칼륨 이온이 외부에서 들어옵니다.

2. 수송체 분자는 하나의 ATP 분자를 가수분해합니다.

3. 3개의 나트륨 이온이 참여하면 ATP의 에너지로 인해 인산 잔기가 담체에 첨가됩니다(담체의 인산화). 이 세 가지 나트륨 이온 자체도 운반체에 부착됩니다.

4. 인산 잔기를 첨가한 결과, 운반체 분자의 모양(형태)에 변화가 발생하여 나트륨 이온이 이미 세포 외부인 막 반대편에 위치하게 됩니다.

5. 3개의 나트륨 이온이 외부 환경으로 방출되고, 대신 2개의 칼륨 이온이 인산화된 수송체에 결합합니다.

6. 두 개의 칼륨 이온을 첨가하면 수송체의 탈인산화가 발생하여 인산 잔류물이 방출됩니다.

7. 차례로 탈인산화는 운반체가 일치하도록 하여 칼륨 이온이 세포 내부의 막 반대편에 도달하게 합니다.

8. 세포 내부에서 칼륨 이온이 방출되고 전체 과정이 반복됩니다.

각 세포와 유기체 전체의 생명에 대한 나트륨-칼륨 펌프의 중요성은 많은 중요한 기능을 구현하기 위해 세포에서 나트륨을 지속적으로 펌핑하고 칼륨을 주입하는 것이 필요하다는 사실에 의해 결정됩니다. 과정: 세포 부피의 삼투압 조절 및 보존, 막 양쪽의 전위차 유지, 신경 및 근육 세포의 전기적 활동 유지, 막을 통한 다른 물질(당, 아미노산)의 활성 수송. 단백질 합성, 해당과정, 광합성 및 기타 과정에도 많은 양의 칼륨이 필요합니다. 휴식 중인 동물 세포가 소비하는 전체 ATP의 약 3분의 1은 나트륨-칼륨 펌프의 작동을 유지하는 데 사용됩니다. 일부 외부 영향이 세포 호흡을 억제하면, 즉 산소 공급과 ATP 생산이 중단되면 세포 내부 내용물의 이온 구성이 점차적으로 변하기 시작합니다. 결국에는 세포 주변 환경의 이온 구성과 평형을 이루게 됩니다. 이 경우 사망이 발생합니다.

염화나트륨은 신체에 절대적으로 필요합니다. Academician Pokrovsky의 연구에 따르면 식용 소금의 최적 복용량은 하루 10-15g입니다. 식탁용 소금의 의미를 세포 수준에서 살펴보겠습니다. 세포벽은 세포 내용물과 세포간 물질 등 다양한 농도의 용액을 분리하는 반투과성 막입니다. 막은 단백질과 지방과 같은 물질로 구성된 복잡한 생물학적 구조입니다. 그들은 세포에 영양분을 공급하고 폐기물을 배출시킵니다.

막은 끊임없이 움직이며 맥동하고 재생됩니다. 세포와 세포간 물질 사이의 교환 과정은 삼투 현상에 기초합니다. 멤브레인은 양쪽의 물질 농도를 동일하게 만듭니다. 그리고 용해된 물질의 입자는 이온일 수 있으므로 전하를 운반하기도 합니다. 이와 관련하여 막을 통한 확산은 농도차뿐만 아니라 전위차에도 영향을 받습니다. 염소 이온 Cl--은 농도가 덜한 용액으로 더 쉽게 들어가고, 그 존재는 음전하를 생성합니다. 나트륨 이온은 덜 강하게 확산됩니다. 두꺼운 수화 껍질을 가지고 있으며 축적된 장소에 양전하를 생성합니다. 이것이 전위차가 발생하는 방식입니다.

이것이 우리가 신체에 양이온과 음이온을 공급하기 위해 음식에 소금을 치는 이유입니다. 염소 이온은 위액의 일부이며 소화 과정에 관여하는 염산의 형성에 필요합니다. 그러나 이러한 프로세스는 더욱 복잡하며 해결하기 쉽지 않은 미스터리를 담고 있습니다.

살아있는 유기체에서 칼륨 이온 K +의 함량은 상당하며 인체에서 칼륨 원소는 140g, 나트륨 비율은 100g입니다. 칼륨 이온 K +와 나트륨 Na +는 신체 내부에서 자리를 잡습니다. 세포 내부에는 훨씬 더 많은 칼륨 이온이 있으므로(예를 들어 적혈구의 나트륨에는 칼륨이 15배 더 많고 혈장에는 나트륨이 20배 적음) 혈액이 짠맛이 납니다. 두꺼운 수화 껍질을 가진 나트륨 이온은 세포막을 통과하기가 더 어렵습니다. 세포와 세포간 공간에 있는 K+와 Na+의 함량이 다르기 때문에 전위차가 발생하고 세포막을 통한 하전 입자의 이동이 촉진됩니다. 소위 칼륨 나트륨 펌프가 발생하여 이온 전달을 촉진합니다. 이 과정에 필요한 에너지는 아데노신 삼인산(ATP로 약칭)에 의해 제공됩니다. 세포막을 통해 다양한 물질이 전이되는 과정은 매우 빠르며 삼투 과정, 전위차는 이러한 속도를 제공할 수 없습니다.

세포막을 통해 이온을 운반할 수 있는 물질이 있다는 것이 발견되었습니다. 이러한 물질은 1955년 독일 연구원 Brockmann과 Schmidt-Kastner에 의해 처음 발견되었으며, 1964년 미국 과학자 Pressman은 이 물질이 알칼리 금속 이온과 복합체를 형성하고 막을 통과하는 능력을 증가시키는 능력이 있음을 발견했습니다. 알칼리 금속 운반체를 이온 운반체라고 합니다. 위에서 설명한 첫 번째 이오노포어는 발리노마이신이었습니다. 또한, 다른 이온 운반체를 얻었습니다. 그들은 단백질 구조를 가지고 있습니다. 그들은 높은 생물학적 구조를 가지고 있습니다. 덕분에 이온과 분자가 세포막을 통과하는 과정이 매우 빠르게 진행됩니다.

막을 통한 이온 수송 분야의 연구 활동으로 우리 과학자 Yu.A. Ovchinnikov와 V.T. Ivanov는 1978년에 레닌상을 수상했습니다. 이 물질들은 의약품으로도 사용됩니다. 예를 들어. 발리노마이신, 그라미시딘, 안타마니드.

나트륨-칼륨 펌프는 신경 자극 전달의 기초가 됩니다. 신경 자극의 전달은 신경 세포, 즉 뉴런을 통해 발생합니다. 신경 세포의 길게 연장된 부분을 축삭이라고 하며 이것이 연결되는 기관의 신호 전도체 역할을 합니다. 축색돌기는 액체가 담긴 관과 비슷하며, 축삭 자체가 액체에 잠겨 있습니다. 이 두 액체에는 모두 용해된 염이 포함되어 있으므로 전기가 잘 전도됩니다.

축삭 주변의 액체에는 Na + 및 Cl- 이온이 포함되어 있습니다. 축삭 내부의 액체에는 유기 기원의 K + 양이온과 음이온이 포함되어 있습니다. 이 도체 디자인은 금속보다 열등하지만 살아있는 유기체에는 충분합니다. 신경 세포는 휴식 중이며 그 내부에는 휴식 전위인 음전하가 관찰됩니다. 신경 세포가 자극 신호를 수신하자마자 칼륨과 나트륨에 대한 막의 전도도가 급격히 증가합니다. 셀 전위는 0으로 떨어진 다음 +50mV의 양수 값으로 상승합니다. 전위의 변화는 나트륨 이온이 세포 안으로 침투하고 칼륨 이온이 나오기 때문입니다. 농도의 변화는 전위의 변화를 유발합니다. 이것이 신경 자극 전달의 의미입니다. 이러한 충동은 우리의 행동을 통제합니다.

Na +와 K +는 뇌 활동에 매우 중요합니다. 우리의 기억에는 장기 기억과 단기 기억의 두 가지 유형이 있습니다. 현재 존재하는 가설에 따르면 단기 기억의 메커니즘은 본질적으로 이온성입니다. 이온 결합은 깨지기 쉽고 빠르게 분해될 수 있으므로 메모리가 부족합니다. 이러한 연결에서 칼륨과 나트륨 화합물이 주요 위치를 차지합니다.

장기 기억은 더 강한 구조의 형성과 관련이 있습니다.

활성 운송농도 구배에 반하여 막을 통과하여 에너지를 소비하는 분자 또는 이온의 이동입니다. 물질이 반대 방향으로 확산하려는 자연스러운 경향에 반대하여 움직여야 하기 때문에 에너지가 필요합니다. 이동은 일반적으로 단방향이지만 확산은 가역적입니다. 능동수송을 위한 에너지원은 호흡 중에 형성되고 세포 내 에너지 운반체 역할을 하는 화합물인 ATP입니다. 그러므로 호흡이 없으면 능동수송이 일어날 수 없다.

세포외액과 세포내액에는 나트륨 이온(Na=), 칼륨 이온(K+) 및 염화물 이온(Cl-)이 우세합니다. 그림은 적혈구 내부와 인간 혈장 내 이러한 이온의 농도가 매우 다르다는 것을 보여줍니다. 대부분의 세포와 마찬가지로 적혈구 내부에는 칼륨 농도가 외부보다 훨씬 높습니다. 또 다른 특징은 세포 내 칼륨 농도가 나트륨 농도를 초과한다는 것입니다.

예를 들어 시안화물과 같은 특정 영향으로 인해 적혈구의 호흡이 억제되면 적혈구의 이온 구성이 점차 변하기 시작하여 결국 혈장의 이온 구성과 동일해집니다. 이는 이러한 이온이 적혈구의 원형질막을 통해 수동적으로 확산될 수 있지만 일반적으로 호흡 과정에서 공급되는 에너지로 인해 능동 수송이 발생하여 그림에 표시된 농도가 유지된다는 것을 보여줍니다. 즉, 나트륨은 세포 밖으로 활발하게 펌핑되고 ​​칼륨은 세포 안으로 활발히 펌핑됩니다.

나트륨-칼륨 펌프

활성 운송원형질막에 국한된 운반체 단백질을 사용하여 수행됩니다. 촉진 확산에 대한 논의에서 논의한 것과는 달리 이러한 단백질은 형태를 변경하는 데 에너지가 필요합니다. 이 에너지는 호흡 중에 생성되는 ATP에 의해 공급됩니다.

비교적 최근에는 원형질막의 대부분의 세포가 나트륨 펌프가 작동합니다, 세포 밖으로 나트륨을 적극적으로 펌핑합니다. 동물 세포에서 나트륨 펌프는 칼륨 펌프와 결합되어 외부 환경에서 칼륨 이온을 적극적으로 흡수하여 세포 내로 운반합니다. 이 결합 펌프를 나트륨-칼륨 펌프 |(Na+, K+)-펌프|라고 합니다. 펌프는 거의 모든 동물 세포에 존재하며 여러 가지 중요한 기능을 수행하므로 능동 수송 메커니즘의 좋은 예입니다. 그 생리학적 중요성은 휴식 중인 동물 세포가 소비하는 ATP의 3분의 1 이상이 나트륨과 칼륨을 펌핑하는 데 소비된다는 사실로 입증됩니다.

펌프전체 두께를 관통하는 방식으로 막에 국한된 특수 담체 단백질입니다. 나트륨과 ATP는 막 내부에서 들어오고 칼륨은 외부에서 들어갑니다. 막을 통과하는 나트륨과 칼륨의 이동은 이 단백질이 겪는 구조적 변화의 결과로 발생합니다. 칼륨 이온 2개가 흡수될 때마다 나트륨 이온 3개가 세포에서 제거됩니다. 결과적으로, 세포의 내용물은 외부 환경과 관련하여 더욱 부정적이 되고, 막의 양면 사이에 전위차가 발생합니다. 이는 염화물 이온과 같은 음전하 이온(음이온)이 셀로 유입되는 것을 제한합니다. 이러한 상황은 적혈구의 염화물 이온 농도가 혈장보다 낮다는 사실을 설명합니다(그림 5.20). 그러나 이러한 이온은 촉진 확산으로 인해 세포에 들어오고 나갈 수 있습니다. 반대로 양전하를 띤 이온(양이온)은 세포에 끌립니다. 따라서 농도와 전하라는 두 요소는 이온이 막을 통과하여 이동할 방향을 결정하는 데 중요합니다.

나트륨-칼륨 펌프동물 세포가 삼투압 균형(삼투압 조절)을 유지하는 데 필요합니다. 작동을 멈 추면 세포가 부풀어 오르기 시작하고 결국 터질 것입니다. 이는 나트륨 이온이 축적되면 삼투압의 영향으로 점점 더 많은 물이 세포에 들어가기 때문에 발생합니다. 단단한 세포벽을 가진 박테리아, 곰팡이 및 식물에는 그러한 펌프가 필요하지 않다는 것이 분명합니다. 동물 세포는 또한 신경과 근육 세포의 전기적 활동을 유지하고 마지막으로 당과 아미노산과 같은 특정 물질의 활성 수송을 위해 필요합니다. 단백질 합성, 해당작용, 광합성 및 기타 중요한 과정에도 고농도의 칼륨이 필요합니다.

활성 운송모든 세포에서 수행되지만 어떤 경우에는 특히 중요한 역할을 합니다. 이는 장과 세뇨관을 둘러싸고 있는 상피 세포의 경우입니다. 왜냐하면 이 세포의 기능은 분비 및 흡수와 관련되어 있기 때문입니다.

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러시아 연방 교육과학부

연방 주 예산 교육 기관

고등 전문 교육

"튜멘 주립 의학 아카데미"

의료 학부

수필~에주제:

"나트륨-칼륨펌프.생물학적역할"

튜멘 2012

나트륨- 칼륨펌프 - 이것은 막의 전체 두께를 관통하는 특수 단백질로, 칼륨 이온을 세포 안으로 지속적으로 펌핑하는 동시에 나트륨 이온을 세포 밖으로 펌핑합니다. 이 경우 두 이온의 이동은 농도 구배에 반하여 발생합니다. 이러한 기능은 이 단백질의 두 가지 중요한 특성으로 인해 가능합니다. 첫째, 수송체 분자의 모양이 바뀔 수 있습니다.

이러한 변화는 ATP 가수분해(즉, ATP가 ADP 및 인산 잔기로 분해되는 과정) 동안 방출되는 에너지로 인해 운반체 분자에 인산염 그룹이 추가된 결과로 발생합니다. 둘째, 이 단백질 자체는 ATPase(즉, ATP를 가수분해하는 효소) 역할을 합니다. 이 단백질은 나트륨과 칼륨을 운반하고 ATPase 활성도 갖고 있기 때문에 "나트륨-칼륨 ATPase"라고 불립니다.

그림 1 나트륨-칼륨 펌프.

쉽게 한행동나트륨-칼륨펌프할 수 있다소개하다다음방법.

1. 막 내부에서 ATP와 나트륨 이온이 담체 단백질 분자로 들어가고, 칼륨 이온이 외부에서 들어옵니다.

2. 수송체 분자는 하나의 ATP 분자를 가수분해합니다.

3. 3개의 나트륨 이온이 참여하면 ATP의 에너지로 인해 인산 잔류물이 담체에 첨가됩니다(담체의 인산화). 이 세 가지 나트륨 이온 자체도 운반체에 부착됩니다.

4. 인산 잔기를 첨가한 결과, 운반체 분자의 모양(형태)에 변화가 발생하여 나트륨 이온이 이미 세포 외부인 막 반대편에 위치하게 됩니다.

5. 3개의 나트륨 이온이 외부 환경으로 방출되고, 대신 2개의 칼륨 이온이 인산화된 수송체에 결합합니다.

6. 두 개의 칼륨 이온을 첨가하면 수송체의 탈인산화가 발생하여 인산 잔류물이 방출됩니다.

7. 차례로 탈인산화는 운반체가 일치하도록 하여 칼륨 이온이 세포 내부의 막 반대편에 도달하게 합니다.

8. 세포 내부에서 칼륨 이온이 방출되고 전체 과정이 반복됩니다.

각 세포와 유기체 전체의 생명에 대한 나트륨-칼륨 펌프의 중요성은 많은 중요한 기능을 구현하기 위해 세포에서 나트륨을 지속적으로 펌핑하고 칼륨을 주입하는 것이 필요하다는 사실에 의해 결정됩니다. 과정: 세포 부피의 삼투압 조절 및 보존, 막 양쪽의 전위차 유지, 신경 및 근육 세포의 전기적 활동 유지, 막을 통한 다른 물질(당, 아미노산)의 활성 수송. 단백질 합성, 해당과정, 광합성 및 기타 과정에도 많은 양의 칼륨이 필요합니다. 휴식 중인 동물 세포가 소비하는 전체 ATP의 약 3분의 1은 나트륨-칼륨 펌프의 작동을 유지하는 데 사용됩니다. 일부 외부 영향이 세포 호흡을 억제하면, 즉 산소 공급과 ATP 생산이 중단되면 세포 내부 내용물의 이온 구성이 점차적으로 변하기 시작합니다. 결국에는 세포 주변 환경의 이온 구성과 평형을 이루게 됩니다. 이 경우 사망이 발생합니다.

생물학적역할

생물학적 칼륨 혈액 나트륨

나트륨- 세포외액의 주요 이온으로 체내 총 나트륨량(90~100g)의 96%를 함유하고 있습니다. 혈장의 정상적인 Na 농도는 135-145mmol/l입니다. 이는 혈장 삼투압과 물 대사를 결정하기 때문에 높은 정확도로 유지됩니다. 혈액 내 Na* 수준은 호르몬에 의해 조절됩니다. ADH와 NUF는 감소, 알도스테론 증가에 기여합니다. NaCl의 일반적인 인간 섭취량은 하루 8-15g이지만 신체의 실제 나트륨 필요량은 다소 적습니다. 과도한 Na"와 O1은 신장과 땀샘을 통해 배설됩니다. 장을 통한 나트륨 손실은 설사와 함께 발생할 수 있습니다.

가장 중요한생물학적기능나트륨:

1. 일반적으로 혈장 및 세포외액의 삼투압을 유지하는 주요 역할.

2. 세포의 원형질막에서 전기화학적 전위의 출현에 (칼륨과 함께) 참여하여 세포의 흥분성과 막 수송을 보장합니다.

3. 단백질과 효소 분자의 안정화로 다양한 효소 반응의 발생을 보장합니다.

칼륨- 주요 세포내 양이온; 세포 외 공간에서는 20-40 배 적습니다. 상당한 양의 칼륨이 근육 조직에서 발견됩니다. 혈장 내 KG 함량은 3.5-5.0mmol/l입니다. 고기, 과일, 채소에는 칼륨이 풍부합니다. 일일 요구량은 2-4g입니다.

호르몬은 혈장의 K+ 수준 감소에 기여합니다. 인슐린은 포도당과 함께 세포로의 전환을 일으키고 알도스테론은 신장을 통한 칼륨 배설을 증가시킵니다. 혈액 내 K+ 농도는 세포 사멸, 손상된 생체막을 통한 이온의 "누출" 또는 나트륨-칼륨 펌프 장애(세포 에너지 결핍)로 인해 증가할 수 있습니다.

기초적인생물학적기능칼륨:

1. 세포의 생체전기 활성을 보장합니다(휴식 전위 형성, 신경근 흥분성 및 전도도 보장).

2. 세포내 내용물의 삼투압을 유지합니다.

3. 단백질 합성을 포함한 다양한 효소 반응에 참여합니다.

4. 혈액 내 칼륨 수치의 변화는 뚜렷한 생물학적 반응으로 이어집니다. 감소(저칼륨혈증) - 근육 약화 및 심근 흥분성(부정맥, 수축기외), 연령(고칼륨혈증) - 근육 경련 및 흥분성 감소, 심한 경우 - 심정지) .

사용된문학

1. http://meduniver.com/Medical/Biology/131.html

2. http://biohi.mybb.ru/viewtopic.php?id=67

3. T.L. Bogdanov "대학 지원자를 위한 핸드북"

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