Натрий‑калиевый насос (Na⁺/K⁺‑АТФаза) поддерживает внутриклеточные и внеклеточные ионные градиенты, перекачивая ионы с жёсткой стехиометрией ${\mathrm{Na}}^{+}:{\mathrm{K}}^{+}=3:2$ (3 наружу, 2 внутрь) за один цикл. Это даёт два ключевых эффекта, важные для осмотического равновесия и функции клетки:
1. Поддержание ионных градиентов и осмотического давления
- Насос уменьшает внутриклеточную концентрацию ${\mathrm{Na}}^{+}$, препятствуя накоплению растворимых частиц внутри клетки. Осмотическое давление описывается законом ван‑Гоффа: $\Pi =iCRT$, где $\Pi$ — осмотическое давление, $C$ — суммарная молярная концентрация осмотически активных частиц. Если внутренняя концентрация растворимых ионов растёт, то $\Pi$ внутри повышается и вода входит в клетку, вызывая её набухание.
- Дополнительно насос создаёт мембранный потенциал за счёт несимметричной транспортной стехиометрии и поддержания разницы концентраций; мембранный потенциал контролирует электрохимические силы для ионов (Нернст: $E=\frac{RT}{zF}\ln \frac{[\text{out}]}{[\text{in}]}$) и тем самым влияет на пассивный поток ионов и воды.
2. Что происходит при нарушении работы насоса
- При снижении активности насоса ${\mathrm{Na}}^{+}$ накапливается внутри, а ${\mathrm{K}}^{+}$ уходит наружу через каналы → суммарная внутренняя осмотически активная концентрация повышается → вода осмотически поступает в клетку → набухание и при сильном переполнении — лизис (разрыв мембраны).
- Одновременно деполяризация мембраны (ослабление градиента ${\mathrm{K}}^{+}$) нарушает электрическую работу клетки (нервные и мышечные клетки теряют возбудимость).
- Вторичные эффекты: повышение внутриклеточного ${\mathrm{Na}}^{+}$ нарушает обмен ${\mathrm{Na}}^{+}/{\mathrm{Ca}}^{2+}$ (накопление ${\mathrm{Ca}}^{2+}$), активирует протеазы и фосфолипазы, вызывает митохондриальную дисфункцию и дефицит АТФ — это ускоряет потерю клеточных функций и ведёт к некрозу или апоптозу.
Итого: насос поддерживает низкую внутриклеточную концентрацию ${\mathrm{Na}}^{+}$ и суммарную осмотическую стабильность; при его сбое внутренняя осмотическая концентрация растёт, вода входит в клетку — набухание и возможный лизис, а также функциональные нарушения из‑за деполяризации и ионного/метаболического дисбаланса.