Natrium-Kalium-Pumpe: Aufbau, Funktion und Pharmakologie

Die Natrium-Kalium-Pumpe ist ein Protein in der Zellmembran, das für die Aufrechterhaltung des Ruhepotenzials in der Zelle verantwortlich ist. Wie genau das funktioniert, wie sie aufgebaut ist und wie man sich die Natrium-Kalium-Pumpe pharmakologisch zunutze macht, beschreibt dieser Artikel.

Natrium-Kalium-Pumpe – Definition

Bei der Natrium-Kalium-Pumpe, die man auch Natrium-Kalium-ATPase nennt, handelt es sich um ein Transmembranprotein, dass sich in der Zellmembran befindet. Durch die Hydrolyse von Adenosintriphosphat (ATP) ist es dazu in der Lage, drei Natriumionen aus der Zelle und zwei Kaliumionen in die Zelle aktiv zu transportieren.

Natrium-Kalium-Pumpe – Aufbau

Die Pumpe ist aus jeweils zwei α- und β-Untereinheiten aufgebaut. Diese liegen zusammen als sogenanntes α2β2-Tetramer in der Membran, wobei die α-Untereinheiten vor allem in das Zytosol ragen. Die β-Untereinheiten durchspannen hingegen die gesamte Plasmamembran. Des Weiteren befinden sich an den α-Untereinheiten Bindungsstellen, die sowohl nach intrazellulär als auch nach extrazellulär Kontakt haben. Intrazellulär bindet an diese vor allem ATP, während extrazellulär Herzglykoside ansetzen können. Die β-Untereinheiten fungieren als Chaperone, das heißt als spezialisierte Proteine, die sich an der Faltung der α-Untereinheiten beteiligen. 

Natrium-Kalium-Pumpe – Funktion

Die Natrium-Kalium-Pumpe sorgt dafür, dass drei Natrium-Ionen gegen den Konzentrationsgradienten heraus transportiert werden und im Tausch zwei Kalium-Ionen in die Zelle hinein gepumpt werden. Dadurch wird insgesamt ein positiver Ladungsträger aus dem Zytoplasma der Zelle entfernt. Als Folge wird das sogenannte Ruhepotenzial der Zelle aufrecht erhalten und es entsteht ein Ionengradient, der für verschiedene Zellfunktionen, wie beispielsweise die Erregungsweiterleitung in Nerven– und Muskelzellen, notwendig ist.

Im Folgenden wird der Zyklus auf molekularer Ebene genauer beschrieben:

1. Die Pumpe befindet sich in einem aktiven Zustand. Ihre intrazellulären Natrium-Bindestellen sind bereit, Natrium-Ionen zu binden.
2. Es diffundieren drei Natrium-Ionen in Anwesenheit von Magnesium-Ionen zu den Bindungsstellen der α-Untereinheit. Außerdem wird an der α-Untereinheit ATP gebunden.
3. Als nächstes kommt es zu der Autophosphorylierung eines Aspartatrests der α-Einheit. Dabei wird ATP verbraucht, wodurch ADP vom Phosphatrest abgespaltet wird. Der Phosphatrest bleibt an der Bindungsstelle.
4. Die frei gewordene Energie ermöglicht eine Änderung in der Konformation der Pumpe. Sie öffnet sich nach extrazellulär und hat dort nun eine hohe Affinität für Kalium-Ionen.
5. Als Folge gelangen die Natrium-Ionen aus den Bindungsstellen in den Extrazellularraum.
6. Zwei Kalium-Ionen diffundieren hingegen an die für sie vorgesehenen extrazellulären Bindungsstellen.
7. Anschließend führt die Bindung zu einer Dephosphorylierung mit erneuter Konformationsänderung der Natrium-Kalium-Pumpe.
8. Sie hat nun eine geringere Affinität für Kalium-Ionen, weshalb diese den Antiporter in das Zytoplasma verlassen. Danach erlangt die Pumpe wieder ihre Ausgangslage und der Zyklus beginnt von vorn.

Natrium-Kalium-Pumpe – Pharmakologie

Die Natrium-Kalium-Pumpe ist ein Molekül, an dem bestimmte Medikamente ansetzen und dadurch ihre Wirkung entfalten. Während sie beispielsweise durch Substanzen wie Herzglykoside gehemmt wird, wirken andere Substanzen wie Adrenalin oder Insulin stimulierend auf sie. Eine Hemmung fördert dabei die Entstehung einer Hyperkaliämie, die Stimulation die Entstehung einer Hypokaliämie.

Herzglykoside

Herzglykoside sind Wirkstoffe aus verschiedenen Pflanzenarten, die die Kontraktionskraft und die Reizschwelle des Herzes positiv beeinflussen (positiv inotrop und bathmotrop). Gleichzeitig wirken sie negativ auf die Schlagfrequenz und die Erregungsleitung (negativ chronotrop und dromotrop). Sie entfalten ihre Wirkung durch die Hemmung der Natrium-Kalium-Pumpe und kommen in der Natur in vielen Pflanzen wie zum Beispiel dem Fingerhut oder auch dem Maiglöckchen vor.

In der Medizin setzt man sie aufgrund der beschriebenen Effekte auf das Herz bei chronischer Herzinsuffizienz und supraventrikulären Tachykardien ein. Bei der Herzinsuffizienz-Therapie werden sie neben anderen Hauptmedikamenten allerdings vor allem ergänzend eingesetzt, da für sie bei dieser Erkrankung keine lebensverlängernde Wirkung festgestellt werden konnte. Als Nebenwirkungen einer Therapie mit Herzglykosiden können Hautausschläge, Sehstörungen, Kopfschmerzen, gastrointestinale Beschwerden oder Müdigkeit auftreten. Eine Herausforderung bei der Therapie mit Herzglykosiden stellt die recht geringe therapeutische Breite dieser Medikamente dar. Dies bedeutet, dass die Spannweite der idealen Dosierung klein ist und es somit schnell zu einer Überdosierung kommen kann. Da die Hemmung der Natrium-Kalium-Pumpe Auswirkungen auf den Elektrolythaushalt (vor allem Kalium-Haushalt) hat, sollte dieser vor und während einer Therapie labortechnisch überprüft werden.