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Arbeitsweise der Natrium-Kalium-Pumpe

Messung - Modell 1 - Modell 2 - Kalium-Diffusion - Na/K-Pumpe 1 - Na/K-Pumpe 2 - Nachweis der Na/K-Pumpe

Lernziele

Wenn Sie diese Seite durchgearbeitet haben, sollten Sie wissen

  • wie die Na+/K+-Pumpe im Einzelnen arbeitet.

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
Natrium-Kalium-Pumpe, nach innen geöffnet, zwei Na-Ionen bereits gebunden, ein drittes will gerade hinein

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
ATP wird gespalten

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
Durch ATP aktiviert, geht die Pumpe in die Konformation II über

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
Jetzt setzen sich zwei Kalium-Ionen in die Bindungsstellen auf der Membranaußenseite der Pumpe

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
Das Protein klappt wieder in Konformation I um, die Kalium-Ionen befinden sich plötzlich auf der Innenseite der Membran

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
Die beiden Kalium-Ionen werden in das Cytoplasma entlassen; der ursprüngliche Zustand ist wiederhergestellt.

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.

Quellen:

  1. Schmidt, Grundriß der Neurophysiologie, Berlin Heidelberg 1987
  2. Kandel, Schwartz, Jessel, Neurowissenschaften, Heidelberg, Berlin, Oxford 1996.
  3. Kandel, Schwartz, Jessel, Siegelbaum, Hudspeth, Principles of Neural Science, Fifth Edition. McGraw-Hill Education 2013.
  4. Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle, 6. Auflage, Weinheim 2017.

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