BOMBA de Na+ y K+

Equilibrio de Gibbs-Donnan y problemas osmolares que genera

Dra. Nazira Píriz

Familias de ATPasas transportadoras de membranas

En humanos: Grupo P; y participan en diversas funciones.

Bomba de Na+ y K+: distribución “universal”

Tipo P

(Requieren de su fosforilación)

ATP ADP + Pi

CITOPLASMA

2 K+

3 Na+

Sitio de unión del K y de la Ouabaina

+

+

Sitio de unión del Na+

LA BOMBA DE Na - K DE LA MEMBRANA CELULAR ES UNA ATPasa :

+ +

ATP(i) + H O + 3 Na (i) + 2 K (e) ADP(i) + P(i) + 3 Na (e) + 2 K (i)2

+ + + +

Mg++

MEDIO EXTRACELULAR

ATP(i) + H20 + 3 Na+(i) + 2 K+(e) ADP(i) + P(i) + 3 Na+(e) + 2 K+(i)

Mg+2

Unidad funcional mínima: heterodímero con subunidades α y β

α

βPlegado y estabilidad a la bomba

Dominios transmembrana (10 α-hélices): unión a iones

Lazos intracelulares: unión e hidrólisis de ATP

Citoplasma

Medio extracelular

Membrana

TRANSPORTE ACTIVO PRIMARIO:

Acoplamiento directo entre:

- una reacción química que libera energía metabólica almacenada en una molécula “dadora” (ATP);

- y el movimiento de iones a través de una membrana.

Reacción bioquímica:

ATP + H2O ADP + Pi

Globalmente libera aprox: 60 KJ/mol.

Reacción translocadora (transporte):

Estequeometría: Transloca 3 Na+ por 2 K+ en contra de sus gradientes electroquímicos

Na+i Na+

e

K+i K+

e

Requiere globalmente (en eritrocito humano) de aprox. 36 KJ/mol. EFICIENCIA de la Bomba: aproximadamente del 60%

Ambas reacciones acopladas (hidrólisis del ATP y translocación de iones):

- Requieren de la presencia de Mg+2 intracelular

- Son inhibidas específicamente por Ouabaína y otros esteroides cardiotónicos. (Interés médico)

-En condiciones experimentales particulares puede funcionar en otros modos. Ejemplo: puede transportar Na+ y K+ a favor de gradiente electroquímico, sintetizando ATP (se comporta como una ATPsintasa). (La ATPsintasa mitocondrial funciona en modo inverso a una ATPasa)

- El ATP también cumple una función reguladora, acelerando la liberación de K+ hacia el medio intracelular.

Bomba de Na+ y K+:

Sufre cambios conformacionales asociados a una secuencia de reacciones de fosforilación-defosforilación.

• Estados conformacionales principales de la enzima: E1 y E2

•Conformación E1:

- Presenta los sitios de unión a iones en contacto con el medio intracelular;

- Presenta alta afinidad aparente y alta especificidad para el Na+.

-Conformación E2:

- Presenta los sitios de unión a iones en contacto con el medio extracelular;

- Presenta alta afinidad aparente y baja especificidad para el K+.

Otros estados conformacionales: Ocluidos

- En ellos los iones quedan “atrapados” en el interior de la proteína.

- Son intermedios entre E1 y E2

- Se representan con el símbolo del ion ocluido, entre paréntesis. Ejemplo: E2(K2)

Los pasajes de Na y K se producen en forma secuencial

fosforilacióndesfosforilación

Ciclo normal de la bomba

(1)

Medio intracelular

Medio extracelular

La apertura secuencial de las compuertas, evita que en condiciones fisiológicas la bomba se comporte como un canal

(1)

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(8)

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Esquema cinético de Albers-Post

- Mantiene gradientes electroquímicos fisiológicos de Na y K, fundamentales para diversas funciones de gran relevancia para la célula y para el organismo.

(Indirectamente esta función determina que la bomba contribuya con el Vm de reposo).

2) Es el principal determinante en el mantenimiento de las células en condiciones isosmóticas.

Su contribución al potencial de reposo de la membrana por vía directa (carácter electrogénico) es escasa (aprox del 10% del PR).

Importancia funcional de Na-K ATPasa

Derivados del digital: inhibidores de la bomba de Na+ y K+ (utilizadas en tratamietno de insuficiencia cardíaca)

En membrana del miocito: intercambiador 3Na+/1Ca++ con dos modos:

- Modo normal: ingresa Na y saca Ca;

- Modo inverso: ingresa Ca y saca Na

La inhibición de la bomba de Na+ y K+ favorece el modo inverso del intercambiador, con aumento del Ca++ intracelular y del inotropismo cardíaco.

Algunos aspectos fisicoquímicos de interés:

Algunas características del medio intracelular:

1) Presenta proteínas:

- atrapadas en el medio intracelular (macromoléculas impermeantes a las membranas celulares);

- y con carga eléctrica (-) a pH fisiológico

Medio intracelular: presenta aniones NO difusibles.

2) iones inorgánicos pequeños difusibles a través de las membranas celulares.

Principios físicoquímicos que rigen también en las células vivas:

• Electroneutralidad

• Equilibrio electroquímico de solutos (tienden a alcanzarse)

+ +

- -

Situación inicial (1)

Vm = 0

Membrana permeable a K+ y Cl-, no

permeable a A-

Situación 2

Se cumple el ppio. de electroneutralidad, el K+ tiende a ir de i a e

El pasaje de K+ desde i hacia e, determina que

no se cumpla el principio de electroneutralidad, generando un flujo

aniónico en “su busca”.

¿Hasta cuándo se producirá pasaje de K+

y Cl-?

Hasta que ambos iones alcancen el equilibrio (Vm = EK+ = ECl-)

EK+ = RT/zF. ln ([K+]e/[K+]i)

Ecl- = RT/zF. ln ([Cl-]e/[Cl]-i)

([K+]e/[K+]i) = ([Cl-]i/[Cl-]e)

([K+]e . [Cl-]e) = ([Cl-]i . [K+]i)

Recordar que el Cl- se desplazó desde i hasta e, a fin de

recuperar la electroneutralidad

Por lo tanto [Cl-]i < [Cl-]e

([K+]e . [Cl-]e) = ([Cl-]i . [K+]i)

[Cl-]i < [Cl-]e[K+]e < [K+]i

Relaciones de concentraciones tiene dos consecuencias importantes:

Relación de Donnan

1) EK+ = RT/zF. ln ([K+]e/[K+]i) < 0 Vm < 0

2) [K+]e < [K+]i (*)

Por electroneutralidad:

[K+]e = [Cl-]e

y: [K+]i = [Cl-]i + [A-]i

Sustituyendo en (*):

[Cl-]e < [Cl-]i + [A-]i

Sumando todas las concentraciones iónicas:

[K+]e + [Cl-]e < [Cl-]i + [A-]i + [K+]i

Osmolaridad intracelular sería mayor que la extracelular

Consecuencias del equilibrio de Gibbs-Donnan

1) Se genera un Vm negativo

2) Se genera una situación de anisosmolaridad

El equilibrio de Gibbs-Donnan no se cumple en las células.

La presencia de aniones no difusibles en el medio intracelular y la necesidad de que se cumplan los prinicipios físicoquímicos mencionados:

- determina que los iones pequeños difundan a través de la membrana celular determinando un aumento en la concentración de soluto y de la osmolaridad intracelular, con la consiguiente entrada de agua y lisis celular.(*)

(*) Esta situación en la que hay aumento de la osmolaridad intracelular, asociada a otras condiciones particulares, se conoce con el nombre de equilibrio de Gibbs-Donnan. Este equilibrio no se alcanza en las células vivas, gracias a la presencia de mecanismos de mantenimiento del volumen celular.

Las células se encuentran en estado estacionario,

¡no de equilibrio!

FIN