Natrium-Kalium-Pumpe: Wiederherstellung des Ruhepotenzials nach Aktionspotentialen

Die Na⁺/K⁺-ATPase-Pumpe ist die molekulare Maschine, die das neuronale Ruhepotenzial (~ -70 mV) aufrechterhält, indem sie aktiv Ionen gegen ihre elektrochemischen Gradienten transportiert.

Mechanismus: Der Transportzyklus

1. Intrazelluläre Bindung: 3 Na⁺-Ionen binden an hochaffine Stellen auf der zytoplasmatischen Seite der Pumpe.
2. ATP-Hydrolyse: ATP → ADP + Pi; Phosphatgruppe phosphoryliert die Pumpe (E1~P-Konformation).
3. Konformationelle Veränderung (E1→E2): Pumpe öffnet zur extrazellulären Seite; Na⁺ freigesetzt (niedrige Affinität).
4. Extrazelluläre Bindung: 2 K⁺-Ionen binden an die extrazelluläre Seite.
5. Dephosphorylierung: Pi freigesetzt; Pumpe kehrt zur E2-Konformation zurück.
6. Konformationelle Veränderung (E2→E1): Pumpe öffnet zur Zytoplasma-Seite; K⁺ freigesetzt (niedrige Affinität).
7. Zyklus wiederholt sich.

Netto: 3 Na⁺ raus, 2 K⁺ rein pro ATP → elektrogen (Netto-Auswärts positiver Strom), trägt ~ -5 bis -10 mV direkt zum Ruhepotenzial bei.

Rolle nach Aktionspotentialen

Während eines Aktionspotentials dissipieren Na⁺-Instrom und K⁺-Ausstrom vorübergehend die Gradienten. Die Na⁺/K⁺-Pumpe stellt die ionischen Gradienten wieder her über Sekunden bis Minuten, was nachfolgende Erregbarkeit ermöglicht. Ohne sie würden Neuronen irreversibel depolarisieren.

Jenseits von Neuronen

Ubiquitär in tierischen Zellen. Reguliert Zellvolumen, pH, sekundären Aktivtransport (Na⁺-Glukose, Na⁺/Ca²⁺-Austauscher), renale Na⁺-Resorption, Gefäßtonus, Herzkontraktilität (über Na⁺/Ca²⁺-Austausch). Digitalis hemmt die Pumpe → ↑intrazelluläres Na⁺ → ↓Na⁺/Ca²⁺-Austausch → ↑intrazelluläres Ca²⁺ → ↑Kontraktilität.

Die Na⁺/K⁺-Pumpe ist das Batterieladegerät der zellulären Elektrophysiologie – läuft ständig, verbraucht ~20–40 % des Gehirn-ATP.