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Tutorial MenueTransport und TransportmoleküleLerneinheit 2 von 3

ATPasen

Ionenpumpen-ATPasen

ATP wird aus ADP und Phosphat synthetisiert. Die dazu benötigte Energie stammt aus einem Fluss von Protonen durch die Membran. Die Proteine, die diese Synthese durchführen, sind die membranständigen ATP-Synthasen oder ATPasen. Sie sind gewissermaßen molekulare Motoren, die Ionen gegen das Konzentrationsgefälle pumpen können, indem sie ATP hydrolysieren.

Kationen-Transport-ATPasen transportieren kleine Ionen wie H+ , Na+ oder Ca2+ (Protonen-, Natrium-, Calcium-Pumpe) entgegen ein Konzentrationsgefälle. Diese Enzyme erhalten den Konzentrationsgradienten zwischen den Zellkompartimenten und zwischen Zelle und Extrazellulärflüssigkeit aufrecht: Sie ermöglichen damit einerseits elektrophysiologische Prozesse, beeinflussen andererseits aber auch die osmotische Regulation bzw. regulieren intrazelluläre metabolische Prozesse (Beispiel: Ca2+ als Second Messenger). Das Konzentrationsgefälle wird bei den Kationen-Transport-ATPasen durch Hydrolyse des energiereichen Adenosintriphosphats (ATP) überwunden. Die membrangebundenen Transport-ATPasen sind Mg-abhängig. Wahrscheinlich ist ein Mg-ATP-Komplex das eigentliche Substrat, das an der ATP-Bindungsstelle gebunden wird. Es kommt intermediär zur Phosphorylierung der ATPase (Phosphorylierungsstelle). Der Phosphat-Rest am Enzym ermöglicht die Bindung der Kationen. So sind katalytische und transportierende Aktivitäten gekoppelt.

Die Ca2+Mg2+-ATPase (E.C. 3.6.1.38)

Im Falle der mit am besten untersuchten Ca2+ /Mg2+ -ATPase laufen folgende Prozesse ab, die zum Transport der Calcium-Ionen durch die Membran führen:

  • Bindung von Calcium: E + 2 Ca2+ (außen) → E x Ca2
  • Phosphorylierung des Enzyms: E x Ca2 + ATP → ATP x E x Ca2 → ADP x E-P x Ca2 → E-P x Ca2 + ADP
  • Transport von Calcium ins Zellinnere: E-P x Ca2 → E-P + 2 Ca2+ (innen)
  • Abspaltung des Phosphat-Restes: E-P → E x Pa → E + Pa

(Pa: anorganisches Phosphat; E-P: phosphoryliertes Enzym; E: Enzym)

Die Ca2+Mg2+-ATPase ist am sarkoplasmatischen Retikulum der Zellen der quer gestreiften Muskulatur lokalisiert. An die Ca2+-ATPase der Plasmamembran bindet Calmodulin. Von Bedeutung als Target-Strukturen für die Wirkstoffforschung sind die Na+K+-ATPase (Inhibitoren: inotrope Steroide) und die H+/K+-ATPase (Inhibitoren: Protonenpumpen-Hemmer).

Natrium-Pumpe: Die Na+K+-ATPase (E.C. 3.6.1.37 )

Die Na+K+-ATPase besteht aus zwei Untereinheiten. Die α-Untereinheit hat eine molekulare Masse von etwa 100.000 Da, die β-Untereinheit hat etwa 40.000 Da. Bei der β-Untereinheit handelt es sich um ein Glycoprotein. Die Na- und Mg-ATP-Bindung erfolgt an der cytoplasmatischen Seite, die K-Bindung an der extrazellulären Seite des Proteinkomplexes. Die Na+K+-ATPase ist verantwortlich für die Aufrechterhaltung der extrem niedrigen Natrium-Konzentration in der Zelle. Bei einer Hemmung der Na+ /K+-ATPase durch inotrope Steroide (herzwirksame Glycoside) steigt die intrazelluläre Na-Konzentration. Sie wird durch Aktivierung des Na+K+-Austauschsystems ausgeglichen, wobei ein Ca2+-Ion im Austausch gegen drei Na+-Ionen in die Zelle transportiert wird. Dadurch steigt die Ca2+-Konzentration in der Zelle. Eine Hemmung der Na+K+-ATPase führt damit zu einer Erhöhung der intrazellulären Ca2+-Konzentration und zur inotropen Wirkung der herzwirksamen Glycoside. Diese werden hochaffin und reversibel extrazellulär an die α-Untereinheit gebunden. Die Suche nach endogenen Regulatoren der Na+ /K+-ATPase hat bisher zu keinen eindeutigen Ergebnissen geführt.

Protonenpumpe: Die H+K+-ATPase (E.C. 3.6.1.36)

Die H+K+-ATPase ist in den Parietalzellen (Belegzellen) der Magenschleimhaut enthalten und für die Bildung der Magensäure verantwortlich. Es handelt sich um ein Polypeptid aus 1.033 Aminosäuren (110.000 Da), das 60 % Sequenzhomologie mit der Natrium-Pumpe zeigt. Nach einer Stimulierung der Zelle durch Acetylcholin, Secretin oder Histamin werden Protonen im Austausch gegen Kalium- und Chlorid-Ionen aus den Canaliculi in das Magenlumen freigesetzt.

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