Che Cos'è
La pompa sodio potassio è un enzima che trasporta in manieta attiva, contro gradiente:
- ioni potassio verso l'interno della cellula (dove sono già più concentrati);
- ioni sodio verso l'esterno della cellula (dove sono già più concentrati).
Come vedremo in seguito, la pompa sodio potassio ha un ruolo molto importante:
- nel processo di trasmissione degli impulsi nervosi;
- nel controllo del volume cellulare;
- indirettamente, nel trasporto contro gradiente di altre sostanze come zuccheri, ioni e amminoacidi.
Trasporto Attivo: Come Funziona?
La pompa sodio-potassio è un classico esempio di trasporto attivo.
Il trasporto attivo è usato per portare una sostanza da una zona in cui è poco concentrata verso una zona in cui la sua concentrazione è maggiore (ossia contro il gradiente di concentrazione).
A tale scopo, sono necessari carrier (trasportatori) enzimatici (quindi di natura proteica) che consumano energia sotto forma di ATP. Per questo motivo, la pompa sodio-potassio è anche definita Na+-K+ ATPasi.
Il trasporto attivo comporta un consumo di energia perché avviene contro gradiente di concentrazione, ossia trasporta molecole da zone a concentrazione minore verso zone a concentrazione maggiore.
Tra le varie sostanze che vengono trasportate attivamente attraverso le membrane cellulari vi sono numerosi ioni (tra cui sodio, potassio, calcio, ferro, idrogeno, cloro, iodio e urati), la maggior parte degli amminoacidi e vari zuccheri.
Come Funziona la pompa sodio-potassio
Per ogni molecola di ATP utilizzata dalla pompa sodio-potassio, vengono esportati tre ioni sodio e importati due ioni potassio; esiste quindi un'esportazione netta di una singola carica positiva per ogni ciclo di pompa.
La pompa sodio-potassio è un enzima ATP-dipendente che, sfruttando l'energia proveniente dall'idrolisi dell'ATP, determina la fuoriuscita di 3 ioni Na+ ogni 2 ioni K+ che entrano.
Questo fa sì che all'interno della cellula le particelle negative (anioni) siano normalmente presenti in concentrazioni maggiori rispetto all'esterno.
A Cosa Serve
Un Passo Indietro per Capire
Nei liquidi corporei, all'interno e all'esterno delle cellule, molte sostanze sono disciolte sotto forma di ioni.
Gli elettroliti sono particelle che una volta disciolte in soluzione acquosa acquisiscono una carica elettrica.
In particolare:
- alcuni elettroliti sono dotati di carica elettrica positiva (cationi)
- altri sono dotati di carica negativa (anioni).
I vari elettroliti non sono distribuiti equamente, ma presentano differenti concentrazioni nei liquidi intracellulari e in quelli extracellulari (vedi tabella).
| Elettroliti | Concentrazione (mEq/l) | |
| Cationi | Intracellulari | Extracellulari |
| Na+ (sodio) | 10 | 140-145 |
| K+ (potassio) | 160 | 4 |
| Ca2+ (calcio) | -- | 2-4 |
| Mg2+ (magnesio) | 35 | 2-3 |
| Anioni | Intracellulari | Extracellulari |
| Cl- (cloruro | 2 | 110 |
| HCO3- (bicarbonato) | 8 | 28-30 |
| HPO42- (fosfato) | 140 | 2 |
| SO42- (solfato) | -- | 1 |
| Proteinato | 55-60 | 1 (16 nel plasma) |
Come mostrato in tabella:
- nel liquido intracellulare il catione (ione positivo) più rappresentato è il potassio (K+);
- nel liquido extracellulare il catione più rappresentato è il sodio (Na+).
In condizioni di riposo, all'interno della cellula gli elettroliti negativi (anioni) sono presenti in concentrazione maggiore rispetto all'esterno.
Pertanto, tra l'interno e l'esterno della cellula, ossia a cavallo della membrana citoplasmatica, si ha una differenza di cariche elettriche che è chiamata potenziale di membrana.
Questa differenza di potenziale tra ambiente intracellulare ed ambiente extracellulare è pari a circa -70 mV.
Ruolo della Pompa Sodio Potassio
La membrana cellulare è in grado di mantenere il potenziale di membrana:
- comportandosi come una barriera selettiva di permeabilità, risultando ad esempio 50-100 volte più permeabile al K+ che al Na+; pertanto, gli ioni sodio, una volta espulsi, hanno una forte tendenza a rimanere fuori dalla cellula;
- sfruttando il lavoro della pompa sodio-potassio, che espelle continuamente sodio e contemporaneamente immette potassio nella cellula.
Il potenziale di membrana viene mantenuto grazie all'azione di una proteina di membrana – la "nostra" pompa sodio-potassio – che trasporta (in modo attivo) ioni Na+ dall'interno all'esterno della cellula e ioni potassio K+ dall'esterno verso l'interno.
La presenza di un potenziale di membrana risulta essenziale per conferire alle cellule nervose e muscolari la proprietà di eccitabilità.
Trasmissione dell'Impulso nervoso
Gli impulsi nervosi, che permettono ad esempio a un muscolo di contrarsi, sono segnali di natura elettrochimica.
L'impulso nervoso viene generato e trasmesso dal repentino cambiamento del potenziale di membrana.
Tale cambiamento dipende:
- dall'apertura di appositi canali di membrana che fanno entrare il sodio;
- dalla chiusura di appositi canali di membrana che fanno uscire il potassio
In questo modo si ha un aumento del numero di cariche positive all'interno della cellula, rispetto alle condizioni di riposo.
Dato che la concentrazione di cariche positive all'interno della cellula aumenta, il potenziale di membrana si inverte bruscamente (si parla di depolarizzazione della membrana) diventando positivo (passa da -70mV a +35mV).
Pochi istanti dopo le proteine canale per il sodio si richiudono, mentre quelle per il potassio - che nel frattempo erano chiuse - si riaprono; quindi, grazie all'azione della pompa sodio-potassio, vengono ristabilite le condizioni di riposo. Questo processo è detto ripolarizzazione della membrana.
Tutti questi processi si realizzano in pochi millesimi di secondo (2-4 msec).
Volume Cellulare
L'azione della pompa sodio-potassio è importante anche per regolare il volume cellulare. La pompa sodio potassio aiuta infatti a mantenere le giuste concentrazioni di ioni all'interno della cellula.
Si tratta di un processo essenziale per la vita, poiché, qualora entrasse troppo sodio nella cellula, questa si gonfierebbe fino a scoppiare.
Quando la cellula inizia a gonfiarsi, la pompa sodio-potassio si iper-attiva per ripristinare le concentrazioni ottimali d Na+ e K+ all'interno della cellula.
La pompa trasferirà quindi all'esterno un numero ancora più elevato di ioni sodio e, per effetto osmotico, anche acqua.
Trasporto Secondario
Nel trasporto secondario, il trasporto di una determinata sostanza è reso possibile dal trasporto primario di un'altra.
Mentre il trasporto primario richiede energia, nel trasporto secondario si sfrutta la differenza di potenziale elettrochimico creta dai trasportatori primari che pompano ioni al di fuori della cellula.
Ad esempio, la differenza di potenziale elettrochimico creata dalla pompa sodio-potassio (trasporto primario) fornisce la forza motrice per diversi trasportatori attivi secondari di membrana, che:
- importano glucosio, aminoacidi e altri nutrienti nella cellula sfruttando il gradiente del sodio (co-trasporto);
- esportano calcio e idrogeno sfruttando il gradiente del sodio (contro-trasporto o antitrasporto).
Nel co-trasporto, è necessario un meccanismo di accoppiamento che consenta al sodio esterno alla cellula di trascinare con sé un'altra sostanza durante il suo ingresso; ciò si realizza grazie ad apposite proteine trasportatrici presenti nella membrana cellulare.
Nell'antitrasporto, l'energia degli ioni sodio che si muovono verso l'interno consente il trasporto di un altra sostanza verso l'esterno della cellula, sfruttando sempre proteine trasportatrici che si estendono dalla superficie esterna della membrana cellulare (dove legano il sodio) a quella interna (dove legano la sostanza da espellere).