مضخة الصوديوم والبوتاسيوم

إن غشاء البلازما  عبارة عن طبقة ثنائية دهنية يتم ترتيبها بشكل غير متماثل ، تحتوي على الكوليسترول الفوسفوليبيدات و الجليكوليبيدات السفينغوليبيد والبروتينات داخل الغشاء ؛ وتساعد مضخة الصوديوم والبوتاسيوم (Na+ /K+ -ATPase) في الحفاظ على التوازن التناضحي وإمكانات الغشاء في الخلايا ، فهذه المضخة تلعب العديد من الوظائف المختلفة التي يحتاجها الجسم ، فما هي مضخة الصوديوم والبوتاسيوم؟ وما الأدوار التي تقوم بها؟ .

مضخة الصوديوم والبوتاسيوم

مضخة الصوديوم والبوتاسيوم (Na+ K+ pump أو Na+ /K+ -ATPase) هي غشاء كهربائي غشائي ATPase تم اكتشافها لأول مرة عام 1957 م من قبل العالم الدنماركي “ينس كريستيان سكو.” حصل هذا العالم على جائزة نوبل عام 1997 م تقديرا لعمله. توجد هذه المضخة في غشاء البلازما الخارجي للخلايا. وعلى الجانب الخلوي، تقوم مضخة “Na+ /K+ -ATPase” بنقل “3 Na+” خارج الخلية، وبنفس الوقت تنقل “2 K+” داخل الخلية، وتحتاج إلى جزء فردي من ATP للقيام بذلك .

أهمية مضخة الصوديوم بوتاسيوم

يتحرك الصوديوم والبوتاسيوم ضد تدرجات التركيز، وتحافظ المضخة `Na+/K+-ATPase` على تدرج تركيز أعلى للصوديوم خارج الخلية ومستوى أعلى للبوتاسيوم داخل الخلايا، وهذا التدرج المستمر للتركيز أمر بالغ الأهمية للعمليات الفسيولوجية في العديد من الأعضاء وله دور دائم في استقرار الغشاء الخلوي الباقي، وتنظيم حجم الخلية ونقل إشارات الخلية .

كما يلعب دورًا حاسمًا في العمليات الفسيولوجية الأخرى ، مثل الحفاظ على ترشيح منتجات النفايات في الكلية (الكلى) ، وحركة الحيوانات المنوية وإنتاج إمكانات العمل العصبي ، علاوة على ذلك فإن النتائج الفسيولوجية لتثبيط “Na+ -K+ ATPase” مفيدة والهدف في العديد من التطبيقات الدوائية .

يمكن لكلٍ من البروتين Na وبروتين K-ATPase أن يتفاعلوا مع بروتينات الإشارات مثل بروتين كيناز C (PKC) وفوسفوينوزيتيد 3-كيناز (PI3K)، وهما بروتين سقالة حاسم .

تكوين مضخة الصوديوم والبوتاسيوم

يتألف مضخة “Na+/K+-ATPase” هيكليًا من وحدة فرعية ألفا تحفيزية ووحدة فرعية بيتا مساعدة؛ كما تتضمن بعض “Na-K ATPases” وحدة فرعية خاصة بالأنسجة وتنتمي إلى عائلة بروتين “FXYD .

تحتوي الوحدة الفرعية ألفا على غشاء يتألف من 10 حلزونات، والتي تسمى MA1-M10، وتحتوي هذه الحلقات العشر على مواقع ربط أيونية، وتحديداً ثلاثة مواقع ملزمة ترتبط بـ “Na+” في الحالة “E1″، وموقعان ملزمان يرتبطان بـ “K+” في الحالة “E2 .

يتكون هيكل “Na-K ATPase” من ثلاثة مواقع؛ يتم تشابك الموقع الأول والثاني في حالتي “E1” و “E2″، ومع ذلك، الموقع الثالث موجود حصريا في الحالة “E1” ويقع بين حلزون الغشاء “M5” و “M6” و “M8″، والذي يرتبط بأيون “+Na” ويحفز نقل “+H” أيضا، ويعتمد على تراكيز “+Na” و “K+” و “H+” وفقا للدراسات السابقة، قد تكون انتقائية حالة المضخة “E2” لـ “K+” ناتجة عن جيب البروتون المرتبط بالأيون .

وظيفة مضخة الصوديوم والبوتاسيوم

يعمل تدرج الصوديوم والبوتاسيوم في العمليات الفسيولوجية لأنظمة الأعضاء المختلفة ، وتتمتع الكلى بمستوى عال من التعبير عن “Na”، “K-ATPase” ، مع النبيبة الملتفة البعيدة التي تعبر عن ما يصل إلى 50 مليون مضخة لكل خلية ؛ ويعتبر تدرج الصوديوم ضروريا للكلى لترشيح الفضلات في الدم ، واستعادة امتصاص الأحماض الأمينية والجلوكوز ، وتنظيم مستويات الكهرباء في الدم والحفاظ على توازن الحموضة .

تستخدم خلايا الحيوانات المنوية أيضًا كلاً من الـ”Na” و الـ “”K-ATPase ، ولكنها تستخدم شكلًا مختلفًا ضروريًا للحفاظ على الخصوبة عند الذكور؛ويحتاج الحيوان المنوي إلى “Na”  “K ATPase” لتنظيم إمكانات الغشاء والأيونات ، وهو أمر ضروري لحركة الحيوانات المنوية وأداء الأكروسوم الحيوانات المنوية أثناء اختراق البويضة .

يتطلب الدماغ أيضا نشاط مضخة Na K ATPase، حيث تحتاج الخلايا العصبية إلى مضخة Na K ATPase لعكس تدفق الصوديوم بعد المشبكي لإعادة تكوين تدرجات البوتاسيوم والصوديوم اللازمة لإطلاق إمكانيات العمل؛ كما تحتاج الخلايا النجمية أيضا إلى مضخة Na K ATPase للحفاظ على تدرج الصوديوم، حيث يحفظ تدرج الصوديوم امتصاص الناقل العصبي .

تستهلك “Na K ATPases” كمية كبيرة من الطاقة في المادة الرمادية، حيث يتم امتصاص ما يصل إلى ثلاثة أرباع الطاقة بواسطتها في المادة الرمادية. ويتم استخدام ربع الطاقة الإجمالية فقط في تخليق البروتين والتوليف الجزيئي .

الفيزيولوجيا المرضية لـ مضخة الصوديوم والبوتاسيوم

تلعب مضخة “Na+/K+-ATPase” دورًا بارزًا في الفيزيولوجيا المرضية للغدة الدرقية، حيث تتسبب زيادة توليف المضخة “Na+/K+-ATPase” بسبب تفريزالهرمون الدرقي الزائد في فرط نشاط الغدة الدرقية، مما يؤدي إلى زيادة عدم تحمل الحرارة وزيادة التعرق، وزيادة فقدان الوزن .

يؤدي التحول المتزايد في مضخة “Na+/K+-ATPase” إلى زيادة معدل التمثيل الأساسي، مما يؤدي إلى زيادة استهلاك الأكسجين ومعدل التنفس ودرجة حرارة الجسم وإنتاج الطاقة الحرارية .

مضخة الصوديوم والبوتاسيوم والتشخيص السريري

نظراً لأن مضخة “Na+/K+-ATPase” ضرورية للحفاظ على وظائف الخلايا المختلفة، فإن تثبيطها يمكن أن يؤدي إلى حالات مرضية متنوعة، وتشير الدراسات إلى أن المرضى الذين يعانون من قصور في القلب لديهم تركيز أقل بنسبة 40٪ من “Na” و “K-ATPase .

واحد من التطبيقات السريرية الهامة هو علم الأدوية القلبية الوعائية، على سبيل المثال، “Ouabain” هو جليكوسيد قلبي يثبط مضخة “Na+/K+-ATPase” بالارتباط بموقع K+؛ وتعمل الجليكوسيدات القلبية الأخرى مثل “Digoxin” و “Digitoxin” على تثبيط مضخة “Na+/K+-ATPase” مباشرة؛ ويؤدي هذا التثبيط إلى تراكم البوتاسيوم (K+) خارج الخلية بشكل مفرط، وتراكم الصوديوم (Na+) خارج الخلية، بحيث لا يمكن لمضخة الصوديوم والبوتاسيوم ضخ البوتاسيوم داخل الخلية مرة أخرى أو ضخ الصوديوم خارج الخلية مرة أخرى .

ويتسبب تراكم “Na+” داخل الخلايا في إعاقة تدرج التركيز المعتاد الذي يدفع عموما قناة “Na+/Ca2+” والتي تضخ “Na+” داخل الخلية و”Ca2+” خارج الخلية، نظرا لعدم ملائمة تدرج التركيز لدخول “Na+” إلى الخلية ونظرا لتراكم مفرط لـ “Na+” داخل الخلايا. لذلك، يؤدي هذا التثبيط غير المباشر لتبادل “Na+/Ca2+” إلى تراكم “Ca2+” داخل الخلايا، حيث لا يسمح لـ “Ca2+” بالخروج من الخلية بسبب عدم قدرته على قبول “Na+” في الخلية. هذا التراكم الزائد لـ “Ca2+” داخل الخلايا يزيد من تقلصات القلب، ويحفز العصب المبهم لتقلصات عضلية إيجابية، مما يؤدي إلى انخفاض معدل ضربات القلب .

أهمية علم وظائف الاعضاء

مهمة سريريا جدا في علاج قصور القلب هي معرفة وظائف الأعضاء، لأنها تزيد من انقباض القلب. وأيضا مهمة سريريا في علاج الرجفان الأذيني، حيث تقلل من توصيل العقدة الأذينية البطينية وتسبب انخفاضا في العقدة الجيبية الأذينية. وتمت إثبات أن مدرات البول تقلل من مستوى الصوديوم (Na) ومضخة الـ “K-ATPase” في عضلة القلب عند نقصان البوتاسيوم، بينما يمكن لمثبطات إنزيم المحول للأنجيوتنسين تحفيز نشاط مضخة الصوديوم والبوتاسيوم

عندما تم اكتشاف مضخة الصوديوم والبوتاسيوم في عام 1957 ميلاديًا ، كان اكتشافها بمثابة خطوة مهمة إلى الأمام في فهم كيفية دخول الأيونات إلى الخلايا والخروج منها ، فضلًا عن أهميتها الخاصة للخلايا المثيرة مثل الخلايا العصبية ، والتي تعتمد على هذه المضخة للاستجابة للمنبهات لنقل النبضات .

تحتوي جميع الثدييات على أربعة أنواع فرعية مختلفة من مضخات الصوديوم، وتتمتع كل نوع فرعي بخصائص وأنماط تعبير نسيجية فريدة .