Pompa sodio-potassio

Perché una cellula possegga un potenziale di membrana di riposo stabile è necessario che la separazione delle cariche esistente ai capi della membrana si mantenga costante nel tempo, ossia l’ingresso di cariche positive deve essere bilanciato da un efflusso di cariche dello stesso segno. Se questi flussi non fossero uguali, la separazione delle cariche sulle due facce della membrana e quindi anche il potenziale di membrana varierebbero continuamente.
I flussi di potassio (K⁺) che escono dalla cellula attraverso i canali passivi equilibrano quelli del sodio (Na⁺) diretti verso l’interno della cellula. Tuttavia, non è possibile che questi flussi ionici possano continuare indisturbati per un periodo di tempo apprezzabile; in caso contrario, infatti, i gradienti ionici degli ioni Na⁺ e K⁺ finirebbero per venir dissipati riducendo in tal modo anche il potenziale di membrana. Questa dissipazione dei gradienti ionici viene impedita dalla pompa sodio-potassio-ATPasi.

La pompa sodio-potassio-ATPasi è una pompa di tipo P ubiquitaria che garantisce il mantenimento dei gradienti di sodio (Na⁺) e potassio (K⁺) attraverso la membrana in tutte le cellule, sia eccitabili, sia non eccitabili, estrudendo il sodio dalla cellula e scambiandolo con il potassio, con un rapporto di 3:2. Questi flussi ineguali di Na⁺ e K⁺ fanno sì che la pompa dia origine ad una corrente ionica uscente netta; per tale ragione la pompa sodio-potassio-ATPasi  è definita una pompa elettrogenica.
Tale antiporto è possibile grazie all’idrolisi di ATP, pertanto, come tutte le pompe, rappresenta un trasporto di tipo attivo. La pompa Na⁺-K⁺-ATPasiè formata da 2 subunità α e 2 β.

• La subunità α, in parte transmembrana, per gran parte citosolica, è la responsabile di tutte le proprietà della pompa, quindi del trasporto ionico, dell’attività ATPasica e della sensibilità ai glicosidi cardioattivi, poiché contiene dei siti di riconoscimento per questi farmaci. La subunità α è formata da 8 α-eliche transmembrana ed è a livello delle sequenze aminoacidiche delle anse extracellulari che collegano le varie α-eliche che sono presenti i recettori per i glucosidi cardioattivi (digitalici: digossina, digitossina, ouabaina).
  Esistono diverse isoforme della subunità α, caratterizzate da una tessuto-specificità e da una diversa sensibilità ai glicosidi:
  • α₁ è ubiquitaria pur essendo particolarmente espressa a livello renale e la sua espressione è sotto il controllo dell’ormone mineralcorticoide aldosterone. Questa isoforma è regolata anche da ormoni tiroidei ed insulina ed è particolarmente insensibile ai glicosidi cardioattivi.
  • α₂ è presente a livello del muscolo scheletrico, a livello cardiaco, negli adipociti e nel cervello; è altamente sensibile ai glicosidi cardioattivi.
  • α₃ è predominante a livello del sistema nervoso centrale ed è sensibile ai glicosidi cardioattivi.

• La subunità β, in parte transmembrana, per gran parte extracellulare, è solo di supporto e serve per il mantenimento della proteina nella membrana.

La pompa va incontro ad un cambio conformazionale durante il funzionamento.
La conformazione della pompa a riposo è quella indicata con E₁ in cui è in grado di legare 3 ioni Na⁺ sul versante intracellulare e l’ATP. Il complesso che si forma stimola l’idrolisi di ATP con la formazione di fosfato che viene trasferito su un residuo di aspartato localizzato a livello dell’ansa intracitoplasmatica che collega la 4^a alla 5^a α-elica della subunità α; ciò consente la modificazione conformazionale con passaggio nello stato E₂: la pompa si chiude verso l’interno e si apre verso l’esterno. In questo modo rilascia sodio e lega 2 ioni K⁺; ciò provoca defosforilazione della subunità α con ritorno allo stato E₁: chiusura verso l’esterno e apertura verso l’interno, con conseguente rilascio del potassio nel citosol e legame di 3 ioni Na⁺ e ATP per ricominciare il ciclo.

In conclusione, la cellula, in condizioni di riposo, non è in equilibrio ma piuttosto in una condizione di stato stazionario durante il quale il continuo ingresso passivo di Na⁺ ed efflusso passivo di K⁺ sono esattamente equilibrati dai flussi promossi dalla pompa Na⁺-K⁺.

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