BOMBA DE SÓDIO E POTÁSSIO: ESTRUTURA, FUNÇÃO, MECANISMO, IMPORTÂNCIA - BIOLOGIA - 2025

A bomba de sódio e potássio é uma estrutura proteica incluída em um conjunto mais amplo de moléculas presentes em muitas membranas celulares e que são responsáveis ​​pelo transporte ativo de íons ou outras pequenas moléculas contra seus gradientes de concentração. Eles usam a energia liberada pela hidrólise do ATP e por isso são genericamente chamados de ATPases.

A bomba de sódio e potássio é uma Na + / K + ATPase porque libera a energia contida na molécula de ATP para mover o sódio de dentro para fora da célula, enquanto introduz potássio.

Esquema da bomba de sódio e potássio. Exterior e interior da célula. (Fonte: Miguelferig, via Wikimedia Commons)

Dentro da célula, o sódio é menos concentrado (12 mEq / L) do que fora (142 mEq / L), enquanto o potássio está mais concentrado fora (4 mEq / L) do que dentro (140 mEq / L).

As bombas ATPase são classificadas em três grandes grupos:

• Bombas iônicas do tipo F e V: são estruturas bastante complexas, podem ser compostas por 3 tipos diferentes de subunidades transmembrana e até 5 polipeptídeos associados no citosol. Eles funcionam como transportadores de prótons.
• Superfamilia ABC (Um TP- B inding C assette = cassete de ligação de ATP): fez-se de mais do que 100 proteas que podem funcionar como transportadores de iões, monossacidos, polissacidos, poliptidos e até mesmo de outras proteínas.

• Bombas de íons da classe P: formadas por pelo menos uma subunidade alfa transmembrana catalítica que possui um sítio de ligação para ATP e uma subunidade β menor. Durante o processo de transporte, a subunidade α é fosforilada e daí o seu nome "P".

A bomba de sódio e potássio (Na + / K + ATPase) pertence ao grupo das bombas iônicas da classe P e foi descoberta em 1957 por Jens Skou, um pesquisador dinamarquês, quando estudava o mecanismo de ação dos anestésicos nos nervos de um caranguejo (Carcinus maenas); trabalho pelo qual recebeu o Prêmio Nobel de Química em 1997.

Bomba de potássio e sódio. NaKpompe2.jpg: Phi-Gastrein em fr.wikipediatrabalho derivado: sonia / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Estrutura da bomba de sódio e potássio

A bomba de sódio e potássio é uma enzima que, do ponto de vista de sua estrutura quaternária, é composta por 2 subunidades proteicas do tipo alfa (α) e duas beta (β).

É, portanto, um tetrâmero do tipo α2β2, cujas subunidades são proteínas integrais de membrana, ou seja, atravessam a bicamada lipídica e possuem domínios intra e extracitosólicos.

Subunidades alfa e beta da bomba de potássio. Rob Cowie / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Subunidades alfa

As subunidades α são aquelas que contêm os sítios de ligação do ATP e dos íons Na + e K + e representam o componente catalítico da enzima e aquele que exerce a função de bomba propriamente dita.

As subunidades α são grandes polipeptídeos, com peso molecular de 120 kDa, 10 segmentos transmembrana e com seus terminais N e C localizados no lado citosólico.

Eles possuem sítios de ligação para ATP e Na + no lado intracelular, bem como um resíduo de aspartato na posição 376 que representa o sítio que sofre o processo de fosforilação durante a ativação da bomba.

O local de ligação do K + parece estar no lado extracelular.

Subunidades beta

As subunidades β não parecem ter uma participação direta na função de bombeamento, mas na sua ausência essa função não ocorre.

As subunidades β têm um peso molecular de cerca de 55 kDa cada e são glicoproteínas com um único domínio transmembranar cujos resíduos de carboidratos são inseridos na região extracelular.

Eles parecem ser necessários no retículo endoplasmático, onde contribuiriam para o dobramento adequado das subunidades α e, então, no nível da membrana, para estabilizar o complexo.

Ambos os tipos de subunidades são heterogêneas e as isoformas α1, α2 e α3 foram descritas para uma, e β1, β2 e β3 para a outra. Α1 é encontrado nas membranas da maioria das células, enquanto α2 está presente no músculo, coração, tecido adiposo e cérebro e α3 no coração e cérebro.

A isoforma β1 é a que apresenta distribuição mais difusa, embora esteja ausente em alguns tecidos, como as células vestibulares do ouvido interno e as células musculares glicolíticas de resposta rápida. Este último contém apenas β2.

As diferentes estruturas das subunidades que compõem a bomba Na + / K + nos diferentes tecidos podem ser devidas a especializações funcionais ainda não elucidadas.

Função da bomba de potássio

Para qualquer momento considerado, a membrana plasmática constitui um limite de separação entre o compartimento correspondente ao interior de uma célula e aquele que representa o fluido extracelular no qual está imersa.

Ambos os compartimentos têm uma composição que pode ser qualitativamente diferente, uma vez que existem substâncias no interior das células que não são encontradas fora delas e o líquido extracelular contém substâncias que não estão presentes intracelularmente.

As substâncias que estão presentes em ambos os compartimentos podem ser encontradas em diferentes concentrações, e essas diferenças podem ter significado fisiológico. Esse é o caso de muitos íons.

Manutenção da homeostase

A bomba Na + / K + tem papel fundamental na manutenção da homeostase intracelular por meio do controle das concentrações de íons sódio e potássio. Esta manutenção da homeostase é alcançada graças a:

• Transporte de íons: introduz íons de sódio e ejeta íons de potássio, processo por meio do qual também impulsiona o movimento de outras moléculas por outros transportadores que dependem da carga elétrica ou da concentração interna desses íons.
• Controle do volume da célula: a introdução ou saída de íons também implica movimentos de água dentro da célula, de forma que a bomba participe do controle do volume da célula.
• Geração de potencial de membrana: a expulsão de 3 íons de sódio para cada 2 íons de potássio introduzidos faz com que a membrana permaneça carregada negativamente no interior, o que gera uma diferença de cargas entre o interior e o exterior da célula. Essa diferença é conhecida como potencial de repouso.

Na + tem uma concentração extracelular de cerca de 142 mEq / L, enquanto sua concentração intracelular é de apenas 12 mEq / L; O K +, por outro lado, está mais concentrado dentro da célula (140 mEq / L) do que fora dela (4 mEq / L).

Embora a carga elétrica desses íons não permita sua passagem através da membrana, existem canais iônicos que o permitem (seletivamente), que promovem o movimento se as forças que normalmente movem esses íons também estiverem presentes.

No entanto, essas diferenças de concentração são de grande importância na preservação da homeostase do organismo e devem ser mantidas em uma espécie de equilíbrio que, se perdido, produziria alterações orgânicas importantes.

Difusão e bomba de sódio potássio (Fonte: BruceBlaus. Ao usar esta imagem em fontes externas pode ser citada como: Blausen.com staff (2014). «Medical gallery of Blausen Medical 2014». WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436.Derivado por Mikael Häggström / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) via Wikimedia Commons)

• A diferença de concentração de Na + entre o interior e o exterior da célula cria um gradiente químico que empurra o sódio para dentro e faz com que esse íon entre constantemente e tenda a dissipar essa diferença, ou seja, equalizar as concentrações em ambos lados.
• O gradiente de potássio é mantido na direção oposta, ou seja, de dentro para fora, permitindo a saída constante do íon e sua redução interna e aumento externo.

A função da bomba de Na + / K + permite a extração do sódio que entrou por difusão através de canais ou outras vias de transporte e a reintrodução do potássio que se difundiu, permitindo a conservação das concentrações intra e extracelulares destes. íons.

Mecanismo (processo)

O mecanismo de ação da Na + / K + ATPase consiste em um ciclo catalítico que envolve reações de transferência de um grupo fosforil (Pi) e mudanças conformacionais da enzima que vão do estado E1 para o estado E2 e vice-versa.

A operação requer a presença de ATP e Na + dentro da célula e K + no líquido extracelular.

Ligação de íons de sódio ao transportador

O ciclo começa no estado de conformação E1 da enzima, no qual existem 3 sítios citosólicos de ligação ao Na + e de alta afinidade (Km de 0,6 mM) que estão totalmente ocupados devido à concentração intra-íon (12 mM) permite.

Hidrólise de ATP

Neste estado (E1) e com o Na + ligado aos seus sítios de ligação, o ATP se liga ao seu sítio no setor citosólico da molécula, hidrolisa e um grupo fosfato é transferido para o aspartato 376, formando um acilfosfato de alta energia que induz uma mudança conformacional para o estado E2.

Expulsão de 3 íons de sódio e introdução de 2 íons de potássio

A mudança conformacional para o estado E2 implica que os sítios de ligação do Na + passam para o exterior, sua afinidade pelo íon diminui muito e ele é liberado no fluido extracelular, enquanto, ao mesmo tempo, a afinidade dos sítios de ligação do K + aumenta. e esses íons são fixados na parte externa da bomba.

Durante o estado E2, os íons Na + são liberados para o outro lado da membrana.

Por sua vez, este novo estado da bomba gera afinidade para a ligação de íons K +

Reversão de E2 para E1

Uma vez que o Na + é liberado e o K + é ligado, ocorre a hidrólise do fosfato de aspartilo e a mudança conformacional do estado E2 para o estado E1 é revertida, com a reintrodução dos sítios de ligação do Na + vazios e aqueles do K + ocupado.

Quando essa alteração ocorre, os sítios do Na + recuperam sua afinidade e os do K + a perdem, com o que o K + é liberado na célula.

Importância

Na manutenção da osmolaridade celular

A bomba Na + / K + está presente na maioria, senão em todas as células de mamíferos, onde é de importância geral por ajudar a manter sua osmolaridade e, portanto, seu volume.

A entrada contínua de íons sódio na célula está condicionando um aumento no número intracelular de partículas osmoticamente ativas, o que induz a entrada de água e o aumento de volume que acabaria causando a ruptura da membrana e o colapso celular.

Na formação do potencial de membrana

Como essas bombas introduzem apenas 2 K + para cada 3 Na + removidos, elas se comportam eletrogenicamente, o que significa que "descompensam" as cargas elétricas internas, favorecendo a produção do potencial de membrana característico das células do corpo.

Sua importância fica evidente também em relação às células que compõem os tecidos excitáveis, nos quais os potenciais de ação são caracterizados pela entrada do íon Na +, que despolariza a célula, e pela saída do K +, que a repolariza.

Esses movimentos iônicos são possíveis graças ao funcionamento das bombas Na + / K +, que contribuem para a produção dos gradientes químicos que movimentam os íons envolvidos.

Sem essas bombas, que operam na direção oposta, os gradientes de concentração desses íons se dissipariam e a atividade excitatória desapareceria.

Na função renal

Outro aspecto que destaca a extrema importância das bombas de sódio-potássio está relacionado à função renal, que sem elas seria impossível.

A função renal envolve a filtração diária de mais ou menos 180 litros de plasma e grandes quantidades de substâncias, algumas das quais devem ser excretadas, mas muitas devem ser reabsorvidas para que não sejam perdidas na urina.

A reabsorção de sódio, água e muitas das substâncias filtradas depende dessas bombas, que se localizam na membrana basolateral das células que constituem os epitélios dos diferentes segmentos tubulares dos néfrons renais.

As células epiteliais que revestem os túbulos renais têm um lado que está em contato com o lúmen do túbulo e é chamado de lado apical, e outro que está em contato com o interstício ao redor do túbulo e chamado de lado basolateral.

A água e as substâncias reabsorvidas devem primeiro passar para a célula através do apical e, a seguir, para o interstício através do basolateral.

A reabsorção do Na + é fundamental tanto em relação a ele, quanto em relação à água e às demais substâncias que dela dependem. A entrada apical do Na + na célula requer que haja um gradiente que o mova e isso implica em uma concentração muito baixa do íon dentro da célula.

Essa baixa concentração intracelular de Na + é produzida pelas bombas de sódio na membrana basolateral, que atuam intensamente para remover o íon das células para o interstício.

Referências

1. Ganong WF: The General & Cellular Basis of Medical Physiology, em: Review of Medical Physiology, 25ª ed. Nova York, McGraw-Hill Education, 2016.
2. Guyton AC, Hall JE: Substance Transport Across the Cell Membrane, em: Textbook of Medical Physiology, 13a ed, AC Guyton, JE Hall (eds). Philadelphia, Elsevier Inc., 2016.
3. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J: Transport across the Cells Membranes, In: Molecular and Cell Biology, 4ª ed.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Princípios de bioquímica de Lehninger. Macmillan.
5. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2013). Biologia celular essencial. Garland Science.