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) عبارة عن غشاء كهربي غشائي ATPase تم اكتشافه لأول مرة عام 1957 ميلاديًا من قبل العالم الدنماركي “ينس كريستيان سكو” ، الذي حصل على جائزة نوبل لعمله في عام 1997 ميلاديًا ، حيث وجدها تقع في غشاء البلازما الخارجي للخلايا؛ على الجانب الخلوي، يقوم مضخة “Na+ /K+ -ATPase” بضخ “3 Na+” خارج الخلية ، بينما تقوم بضخ “2 K+”داخل هذه الخلية، لكل ATP فردي مستهلك .

أهمية مضخة الصوديوم بوتاسيوم

يتحرك الصوديوم والبوتاسيوم ضد تدرجات التركيز،وتحافظ مضخة “Na+ /K+ -ATPase” على تدرج تركيز أعلى من الصوديوم خارج الخلية ومستوى أعلى من البوتاسيوم داخل الخلايا ، وهذا التدرج المستمر للتركيز هو أمر حاسم للعمليات الفسيولوجية في العديد من الأعضاء وله دور مستمر في تثبيت إمكانات الغشاء الباقي للخلية ، وتنظيم حجم الخلية وفي نقل إشارة 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 .

إن كلاً من الـ Na ، والـ K-ATPase هو بروتين سقالة حاسم يمكن أن يتفاعل مع بروتينات الإشارات مثل بروتين كيناز C (PKC) وفوسفوينوزيتيد 3-كيناز (PI3K) .

تكوين مضخة الصوديوم والبوتاسيوم

من الناحية الهيكلية، يتكون مضخة “Na+ /K+ -ATPase”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 منطقة غشاء تتكون من 10 حلزونات ، يشار إليها باسم MA1-M10 ؛ ضمن هذه الحلقات العشر يوجد مواقع الربط الأيوني ، وتحديدًا ثلاثة مواقع ملزمة ترتبط بـ Na+”” في الحالة “E1” ، وموقعين ملزمين يرتبطان بـ “K+” في الحالة E2 .

ويتكون هيكل Na-K ATPase”” من ثلاثة مواقع ؛ يتداخل الموقع الأول والثاني داخل كل من الحالة “E1” و “E2” ، ومع ذلك فإن الموقع الثالث موجود حصريًا في الحالة E1 ويقع بين حلزون الغشاء “M5” و “M6” و “M8” ، والذي يرتبط بـ “+”Na ويحفزنقل H+”” أيضًا ، ويعتمد على تركيزات “+”Na و “K+”و H+””وفقًا للدراسات السابقة، قد تكون انتقائية حالة المضخة  E2 لـ “K+”ناتجة عن بروتون الجيب المرتبط بالأيونات.

وظيفة مضخة الصوديوم والبوتاسيوم

تعمل تدرجات الصوديوم والبوتاسيوم في العمليات الفسيولوجية لأنظمة الأعضاء المختلفة ، وتتمتع الكلى بمستوى عالٍ من التعبير عن “Na”، “K-ATPase” ، مع النبيبة الملتفة البعيدة التي تعبر عن ما يصل إلى 50 مليون مضخة لكل خلية ؛ ويعد تدرج الصوديوم ضروري للكلى ترشيح الفضلات في الدم ، وإعادة امتصاص الأحماض الأمينية وإعادة امتصاص الجلوكوز ، وتنظيم مستويات المنحل بالكهرباء في الدم والحفاظ على درجة 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 أيضًا نشاط NA K ATPase ، حيث تحتاج الخلايا العصبية إلى مضخة Na K ATPase لعكس تدفق الصوديوم بعد المشبكي لإعادة تكوين تدرجات البوتاسيوم والصوديوم اللازمة لإطلاق إمكانات العمل ؛ كما تحتاج الخلايا النجمية أيضًا إلى مضخة Na K ATPase للحفاظ على تدرج الصوديوم ، حيث يحافظ تدرج الصوديوم على امتصاص الناقل العصبي .

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

تلعب مضخة “Na+ /K+ -ATPase”دورًا بارزًا في الفيزيولوجيا المرضية للغدة الدرقية ؛ حيث أنه في فرط نشاط جارات الدرقية ، تكون هناك زيادة في عدم تحمل الحرارة وزيادة التعرق ، وزيادة فقدان الوزن بسبب زيادة توليف مضخة “Na+ /K+ -ATPase” الناجم عن هرمون الغدة الدرقية المفرط .

يؤدي هذا التوليف المتزايد لمضخة “Na+ /K+ -ATPase” إلى زيادة معدل التمثيل الغذائي الأساسي ، مما يزيد من استهلاك الأكسجين، ومعدل التنفس، ودرجة حرارة الجسم، وتولد السعرات الحرارية .

مضخة الصوديوم والبوتاسيوم والتشخيص السريري

نظرًا لأن مضخة”Na+ /K+ -ATPase”ضرورية للحفاظ على الوظائف الخلوية المختلفة ، فقد يؤدي تثبيطه إلى حالات مرضية متنوعة ؛ وتظهر الدراسات أن المرضى الذين يعانون من قصور في القلب لديهم تركيز أقل بنسبة 40٪ من الـ”Na” و الـ “”K-ATPase .

وأحد التطبيقات السريرية الهامة هو علم الأدوية القلبية الوعائية على سبيل المثال “Ouabain” هو جليكوسيد قلبي يثبط مضخة”Na+ /K+ -ATPase”عن طريق الارتباط بموقع K+ ؛ الجليكوسيدات القلبية الأخرى مثل “Digoxin” والـ “Digitoxin” تعمل على تثبيط مضخة “Na+ /K+ -ATPase” مباشرة ؛ ويتسبب هذا التثبيط في تراكم الـ”K+”خارج الخلية بشكل مفرط، وتراكم “Na+” المفرط خارج الخلية ، بحيث لم يعد بإمكان مضخة الصوديوم والبوتاسيوم بضخ K+ في الخلية مرة أخرى أو ضخ “Na+”خارج الخلية مرة أخرى .

ويؤدي تراكم “Na+”داخل الخلايا إلى إعاقة تدرج التركيز الذي يدفع عادة مبادل قناة “Na+ /Ca2+” ، والذي يضخ “Na+” عمومًا في الخلية و “Ca2+” خارج الخلية لأن تدرج التركيز غير مفضل لـ”Na+” لدخول الخلية كما تراكمت “Na+”المفرطة داخل الخلايا لذلك يؤدي هذا التثبيط غير المباشر لتبادل “Na+ /Ca2+” إلى تراكم “Ca2+” داخل الخلايا لأن المبادل لا يسمح لـ “Ca2+” بالخروج من الخلية لأنه لا يمكنه قبول “Na+” في الخلية هذه الزيادة داخل الخلايا “Ca2+” تزيد من انقباض القلب ويحفز هذا التقلص العضلي الإيجابي العصب المبهم، مما يتسبب في انخفاض معدل ضربات القلب .

أهمية علم وظائف الاعضاء

علم وظائف الأعضاء هذا مهم سريريًا في علاج قصور القلب لأنه يزيد من انقباض القلب ؛ كما أنه مهم سريريًا في علاج الرجفان الأذيني لأنه يقلل من توصيل العقدة الأذينية البطينية ويسبب انخفاضًا في العقدة الجيبية الأذينية ؛ وقد ثبت أيضًا أن العلاج بمدرات البول يقلل منالـ”Na” و الـ “”K-ATPase في عضلة القلب وذلك عند فقدان البوتاسيوم وفي المقابل يمكن لمثبطات الإنزيم 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 ، أو أشكال إيزوفورم ولكل منها خصائص فريدة وأنماط تعبير نسيجية مختلفة.