Arbeitsweise der Natrium-Kalium-Pumpe

Die Na⁺/K⁺-Pumpe ist ein Carrierprotein, das drei Bindungsstellen für Natrium-Ionen und zwei Bindungsstellen für Kalium-Ionen hat. Außerdem befindet sich auf der Membraninnenseite eine Bindungsstelle für ATP. Die Natrium-Kalium-Pumpe kann unter ATP-Verbrauch drei Natrium-Ionen aus dem Cytoplasma in das Außenmedium transportieren und im Gegenzug zwei Kalium-Ionen aus dem Außenmedium in das Cytoplasma transportieren (Gegentransport, Antiport).

Die folgende Darstellung ist eng an das Lehrbuch "Biologie" von CAMPBELL angelehnt ^[1]. Im Gegensatz zu vielen anderen Darstellungen geht der CAMPBELL nicht davon aus, dass die Bindungsstellen für Natrium-Ionen auf der Membraninnenseite und die für Kalium-Ionen auf der Membranaußenseite sitzen.

Mechanismus

Schritt 1

Arbeitsweise der Na⁺/K⁺-Pumpe, Schritt 1
Autor: Ulrich Helmich 2016, Lizenz: siehe Seitenende.

Das Pumpenprotein ist zum Zellplasma hin geöffnet. Drei Natrium-Ionen dringen in den offenen "Spalt" ein und setzen sich nach und nach an die drei spezifischen Bindungsstellen.

Schritt 2

Arbeitsweise der Na⁺/K⁺-Pumpe, Schritt 2
Autor: Ulrich Helmich 2016, Lizenz: siehe Seitenende.

Auf der Membraninnenseite befindet sich eine Bindungsstelle für ein ATP-Molekül. Dieses ATP wird nun hydrolysiert (unter Freisetzung von Wasser gespalten):

$ATP + H_{2}O \to ADP + P_{i}$

Die abgespaltene Phosphatgruppe wird vorübergehend von einer Aminosäure des Pumpenproteins gebunden, das Protein wird phosphoryliert, wie man sagt.

Schritt 3

Arbeitsweise der Na⁺/K⁺-Pumpe, Schritt 3
Autor: Ulrich Helmich 2016, Lizenz: siehe Seitenende.

Bei der Spaltung des ATP wird genug Energie freigesetzt, um die Konformation des Proteins zu verändern. Das abgespaltene Phosphat wirkt dabei wie ein positiver Effektor, wie ein Aktivator. Durch die Konformationsänderung öffnet sich das Pumpenprotein nach außen hin. Die drei Natrium-Ionen lösen sich aus ihren Bindungsstellen und gelangen in das Außenmedium.

Schritt 4

Arbeitsweise der Na⁺/K⁺-Pumpe, Schritt 4
Autor: Ulrich Helmich 2016, Lizenz: siehe Seitenende.

Zwei Kalium-Ionen aus dem Außenmedium setzen sich in den nach außen geöffneten Spalt des Proteins an spezifische Bindungsstellen. Das gebundene Phosphat wird wieder abgespalten.

Schritt 5

Arbeitsweise der Na⁺/K⁺-Pumpe, Schritt 5
Autor: Ulrich Helmich 2016, Lizenz: siehe Seitenende.

Die Konformation des Proteins "klappt" wieder in die ursprüngliche Form zurück.

Schritt 6

Arbeitsweise der Na⁺/K⁺-Pumpe, Schritt 6
Autor: Ulrich Helmich 2016, Lizenz: siehe Seitenende.

Die Kalium-Ionen lösen sich aus ihren Bindungsstellen und gelangen in das Cytoplasma. Der ursprüngliche Zustand ist wieder hergestellt; es können erneut 3 Na⁺-Ionen und ein ATP-Molekül gebunden werden.