Natrium-kalium-pumpen

Jens Chr. Skou fik Nobelprisen i kemi i 1997, fordi han var den første, der beskrev en ion-pumpe. En ion-pumpe er et enzym, der transporterer ioner gennem en cellemembran.

Jens Chr. Skou beskrev natrium-kalium-pumpen allerede i 1957, men siden har man påvist en mængde enzymer med lignende egenskaber.

Natrium-kalium-pumpens funktion i kroppen

Natrium-kalium-pumpen i cellerne ser ikke ud af meget. Hver pumpe har en dimension på ca. 65 x 75 x 150 Ångstrøm, hvor en Ångstrøm er en ti milliontedel millimeter. Den lille pumpe har på trods af sin ringe størrelse stor betydning for vores liv, fordi den fungerer som en generator, der sætter strøm på cellerne og dermed styrer hele vores bevæge- og tankeapparat. Vi bruger ikke mindre end en fjerdedel af vores energi til at drive den lille pumpes aktivitet.

Natrium-kalium-pumpen sidder forankret i cellemembranen og pumper natriumioner (Na + ) ud og kaliumioner (K + ) ind i cellen. Inde i cellen er Na + -koncentrationen lavere end udenfor. For at udligne forskellen strømmer Na + automatisk ind i cellen gennem kanaler i cellemembranen, men de pumpes hele tiden ud igen vha. natrium-kalium-pumpen. For hver runde, pumpen kører, nedbrydes et energirigt molekyle kaldet ATP (der foregår en ATPaseaktivitet), hvorved tre Na + føres ud af cellen og to K + ind. Koncentrationsforskellen inde i og uden for cellen danner basis for en spænding over cellemembranen, som udløses ved f.eks. nerveimpulser i muskler og hjerne.

Natrium-kalium-pumpen er central for funktionen af eksempelvis hjerte og nyre og helt generelt for alle transportprocesser ind og ud af cellen. Pumpen er således baggrunden for, at vi kan optage en lang række næringsstoffer, udskille affaldsstoffer fra nyrerne og opretholde cellernes vandbalance. Hvis den lille pumpe holdt op med at pumpe natriumioner ud af cellerne, ville disse hurtigt svulme op pga. vandindtrængning for til sidst at sprænges.

Illustration: Kjell Lundin.
Illustration: Kjell Lundin.
  • Inde i cellen er Na + -koncentrationen lavere end udenfor. For at udligne forskellen strømmer Na + automatisk ind i cellen gennem kanaler i cellemembranen, men de pumpes hele tiden ud igen vha. natrium-kalium-pumpen.
  • Det er meget vigtigt, at pumpen konstant opretholder den (ulige) Na + -balance i og uden for cellen, fordi indstrømningen af Na +i en nervecelle danner grundlaget for de nerveimpulser, som gør, at vi kan bevæge os.

Vejen mod pumpen

Siden 1870’erne har det været kendt, at ionsammensætningen inde i cellen er anderledes, end den er i cellens omgivelser. Inde i cellen er Na + -koncentrationen lavere og K + -koncentrationen højere end i væsken udenfor.

I 1939 blev det påvist, at muskelcellers membran kan gennemtrænges af Na + – men hvordan blev den ulige Na + -balance så hele tiden opretholdt? Spørgsmålet blev givet et teoretisk svar i begyndelsen af 1940’erne, hvor det blev foreslået, at opretholdelsen af den skæve fordeling af ioner skyldes en form for ”pumper” i cellemembranen.

I løbet af 1950'erne blev det opdaget, at der altid strømmer Na + ind i nervecellen, når en nerve bliver stimuleret. Man så, at den forskel, der opstod i Na + -koncentrationen, blev udlignet ved, at Na + på en eller anden måde transporteredes ud igen. Man anså det samtidig for sandsynligt, at iontransporten krævede ATP (kemisk forbindelse og vigtig energibærer i cellerne), fordi det viste sig at være muligt at hæmme transporten af Na + og K + ved at hæmme dannelsen af ATP.

I forbindelse med en række studier af lokalbedøvende stoffers indflydelse på cellemembraners struktur ønskede Jens Chr. Skou at kunne måle, hvordan en ATPase aktivitet blev påvirket af disse bedøvelsesmidler. Det viste sig, at den ATPase, han havde valgt, oprenset fra krabbenerver, havde enzymatiske karakteristika, der ikke tidligere var beskrevet i litteraturen. Specielt fandt Jens Chr. Skou, at både Na + og K + var nødvendige for ATPaseaktivitet. Dette ledte til forslaget om, at denne ATPase var involveret i Na + og K + -transport.

I den artikel, Jens Chr. Skou i første omgang publicerede, brugte han ikke betegnelsen ”pumpe” om sin opdagelse. Han anførte blot forsigtigt, at det beskrevne enzym (som kemisk betegnes Na + ,K + -ATPase) havde egenskaber, som gjorde det nærliggende at antage, at det var involveret i den aktive transport af Na + og K + gennem cellemembranen. Det viste sig hurtigt, at Jens Chr. Skou havde ret i sin antagelse, og artiklen indbragte ham Nobelprisen i 1997.

Illustration: Kjell Lundin
Illustration: Kjell Lundin

Pumpens cyklus

  1. Enzymet åbner op mod den indvendige side af cellen med bindingssteder for tre Na +
  2. Når Na + er bundet, bindes et ATP-molekyle til enzymet, og en af dets fosfatgrupper (P) overføres. Dvs. at der sker en spaltning af ATP, hvorved der overføres energi til enzymet
  3. Enzymet ændrer form, åbner sig mod den udvendige side af cellen og frigiver Na +
  4. Der er nu bindingssteder for to K + på den indvendige side af cellen
  5. Når K + er bundet, frigives fosfatgruppen (P)
  6. Når K + er blevet frigivet inde i cellen, returnerer enzymet til det første stadie – klar til at modtage nye Na + , så cyklus kan begynde forfra

Mere information