Natrium-Kalium-Pumpe

Natrium-Kalium-Pumpe einfach erklärt

Die Natrium-Kalium-Pumpe ist ein Protein in der Zellmembran, das Natrium-Ionen (Na⁺) aus der Zelle hinaus und Kalium-Ionen (K⁺) in die Zelle hinein transportiert.

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Sie hat die Aufgabe, das Konzentrationsgefälle in den Zellen aufrechtzuerhalten, weil es für Prozesse wie die Erzeugung des Ruhepotentials essenziell ist:

• Transport von Ionen: Sie schleust 3 Natrium-Ionen aus der Zelle und pumpt 2 Kalium-Ionen in die Zelle.
  
• Energieverbrauch: Die Pumpe betreibt einen primär aktiven Transport, bei dem sie Teilchen vom Ort niedriger zum Ort höherer Konzentration transportiert. Dieser Vorgang benötigt Energie, wofür die Pumpe jedes Mal ein Adenosintriphosphat (ATP) abspaltet. Deshalb heißt sie auch Natrium-Kalium-ATPase.
• Aufrechterhaltung des Gleichgewichts: Die Pumpe hält den Konzentrationsunterschied in den Zellen aufrecht.

Natrium-Kalium-Pumpe — Funktionsweise

An der Zellmembran einer Zelle herrscht ein Konzentrationsgefälle. Denn in der Zelle befinden sich viele Kaliumionen, außerhalb jedoch nicht. Genauso gibt es außerhalb der Zelle viele Natriumionen, aber innen nicht. In Ruhe sind die Kaliumionenkanäle in der Zellmembran geöffnet. So können die Kaliumionen aus der Zelle herausströmen.

Gleichzeitig gibt es sogenannte Na⁺ Leckströme. Das sind Ströme von Natriumionen direkt durch die Membran. Die Ionen bewegen sich also von außerhalb der Zelle in ihr Inneres, um das Konzentrationsgefälle auszugleichen. Dieses Gefälle, also die negative Spannung einer nicht erregten Zelle (Ruhepotential ), ist allerdings wichtig. Denn vor allem Nervenzellen brauchen ein stabiles Ruhepotential, um elektrische Reize weiterzuleiten.

Um diesem Ladungsausgleich entgegenzuwirken, gibt es die Natrium-Kalium-Pumpe. Sie transportiert Na⁺ Ionen aus der Zelle heraus und K⁺ Ionen in die Zelle zurück. Sie pumpt die Ionen also entgegen ihres Konzentrationsgradienten und wirkt aktiv einem Ladungsausgleich entgegen. Weil die Natrium-Kalium-Pumpe die Ionen entgegengesetzt transportiert, bezeichnest du sie auch als Antiporter.

In der Zelle werden von der Pumpe drei positive Ladungen entfernt und nur zwei positive Ladungen wieder hinzugefügt. Bei jedem Transport nimmt die Gesamtladung innerhalb der Zelle also um eins ab. Auf Dauer kann die Zelle dann eine negative Spannung und somit das Ruhepotential aufrechterhalten.

Natrium-Kalium-Pumpe — Mechanismus

Im Detail läuft die Verteilung von Natrium- und Kaliumionen der Natrium-Kalium-Pumpe so ab:

1. Bindung von Natrium (Na⁺)
   Die Na⁺-K⁺-ATPase ist ins Zellinnere geöffnet. Drei Natrium-Ionen binden an für sie spezifische Bindungsstellen.
    
2. Umwandlung von ATP
   Ein ATP-Molekül bindet an seine Bindungsstelle am innenliegenden Teil des Proteins. ATP wird gespalten (hydrolysiert). Übrig bleibt ADP (Adenosindiphosphat) und ein Phosphatrest. Nur das Phosphat bleibt an der Bindestelle gebunden.

   

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3. Umformung der Pumpe
   Die freigesetzte Energie führt dazu, dass die Natrium-Kalium-Pumpe ihre räumliche Struktur ändert (Konformationsänderung). Sie schließt sich auf der Innenseite, während sie sich nach außen hin öffnet.
    
4. Freisetzen von Natriumionen
   Die drei Natriumionen lösen sich aus dem Protein. Zwei von außen kommende Kaliumionen werden an spezifische Bindungsstellen in der Pumpe gebunden.
    
5. Umformung der Pumpe
   Der Phosphatrest wird abgespalten. Die Pumpe nimmt wieder ihre Ursprungsform an.
    
   

   

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6. Abstoßen der Kaliumionen
   Die Kaliumionen lösen sich aus der Bindestelle und gelangen ins Cytoplasma (Zellinnere). Der Ausgangszustand ist wieder erreicht und ein neuer Pumpvorgang kann beginnen. 

Ruhepotential

Wie die Natrium-Kalium-Pumpe ein Ruhepotential aufrechterhält, weißt du jetzt. Was genau in der Zelle beim Ruhepotential passiert und wie es genau entsteht, erfährst du hier!