Natrium-Kalium-Pumpe

Für Transportprozesse durch biologische Membranen, die gegen einen Konzentrationsgradienten erfolgen, muss Energie bereitgestellt werden. Diese wird entweder durch ATP-Verbrauch, oder durch Abbau eines anderen Konzentrationsgradienten erreicht ("aktiver Transport").

Das Phänomen des ATP-getriebenen Transports ist für den Na⁺/K⁺ Transport durch die Plasmamembran am besten untersucht. Beide Kationen sind in tierischen Zellen ungleich verteilt:

• die Na⁺-Konzentration im Inneren ist gering
• die K⁺-Konzentration im Inneren ist hoch

Dieser lebenswichtige Konzentrationsgradient wird einerseits durch "Kalium-Sickerkanäle" bewirkt (siehe Blutzucker-Sensorsystem), andererseits durch die "elektrogene Natrium-Kalium-Pumpe" (auch "Na⁺/K⁺-ATPase" genannt). Diese besteht aus zwei Polypeptiden, d.h. einer α-und einer β-Untereinheit (die jeweils zweifach vorhanden sind).

Mechanismus

ATP-Hydrolyse und Na⁺/K⁺-Transport sind strikt gekoppelt (elektrogenes Prinzip):

• Je Molekül ATP werden drei Na-Ionen nach innen und zwei K-Ionen nach außen befördert
• für den Pumpmechanismus sind Konformationsänderungen erforderlich, die durch Phosphorylierung eines Aspartat (Asp-) Restes der α-Untereinheit erzeugt werden
• • bei diesem Vorgang werden zunächst drei Na-Ionen eingeschlossen;
  • deren Abgabe nach innen erfolgt im Austausch gegen zwei K-Ionen, deren Bindung eine Phosphatase aktiviert, die den Asp-Rest wieder dephosphoryliert.

Abbildung: Wirkungsprinzip der Natrium-Kalium-Pumpe (Na⁺/K⁺-ATPase).

Gezeigt ist eine Funktionseinheit, bestehend aus einer α- und einer β-Kette. Der Phosphorylierungs-Dephosphorylierungszyklus eines Aspartat-Restes, d.h. die trereibende Kraft des Pumpvorganges, ist schematisch ausgeführt; dieser Vorgang kann durch Vanadat blockiert und damit nachgewiesen werden. Der im oberen Abschnitt gezeigte Calcium-Transporter (Na⁺/Ca⁺⁺-Antiporter) benutzt die Energie des ATP indirekt, indem er einen bestehenden Na⁺-Gradienten abbaut. Digitalis-Derivate blockieren die (Na⁺/K⁺-ATPase), lähmen damit die gesamte Wirkungskette und lassen den intrazellulären Ca⁺⁺-Spiegel ansteigen.

Wirkung der Herzglykoside

Glykoside der Digitalis-Gruppe (Digitoxin und Digitoxigenin - letzteres ist streng genommen kein Glykosid) und der Gruppe der Hundsgiftgewächse (Strophantin bzw. Oubain) blockieren die K+-Konformation der ATPase, noch im phosphorylierten Zustand. Damit hemmen sie den Ionentransport.

Indirekt steigt hierduch die Konzentration an intrazellulärem Ca⁺⁺ und damit die Kontraktion des Herzmuskels, denn:

• der Transport des "Außen-Ions" Ca⁺⁺ hängt nach dem Antiport-Prinzip vom Na+-Konzentrationsgradienten ab
• ist dieser verringert, verbleibt Ca⁺⁺ in zunehmendem Maße in der Muskelzelle, wobei sich deren Kontraktion verstärkt.

Weblinks

gängiges Modell

• Lehrbuch-Darstellung
• Na-K-ATPase und aktiver Transport (eng.)
• Animation: Antiport
• Animation: elektrogene Pumpe (eng.)

contra

• Theorie, die die Natrium Kalium Pumpe ersetzt
• warum sie bis heute kontrovers gesehen wird
• Zweifel sind nicht erlaubt