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1. 개요
Na+-K+ 펌프, 나트륨 펌프 / Na+-K+ ATPase 또는 sodium–potassium pump체내 대다수의 세포의 세포막에 위치하는 일차능동수송 담당 막단백질이다. ATP를 가수분해하여 에너지원으로 하고, 1회 작동할 때마다 나트륨 이온(Na+) 3개를 세포 밖으로 내보내고 칼륨 이온(K+) 2개를 세포 안으로 들여보내는 역할을 한다.
화학용어 개정안에 따라 소듐-포타슘 펌프라고 이르기도 한다.
2. 발견
1957년, 덴마크의 옌스 C. 스코우(Jens Christian Skou)가 발견하였다. 이 공로를 인정받아 그는 1997년에 노벨화학상을 수상하였다.3. 특징
일차능동수송(primary active transport) 막단백질 중 가장 대표적인 케이스로, 주로 ATP를 소모하여 나트륨과 칼륨의 농도경사를 거슬러 이동시킨다. 나트륨 이온의 농도는 세포 밖이 더 높고, 칼륨 이온의 농도는 세포 안이 더 높다. 능동수송을 일으키는 펌프가 존재하지 않는다면 이들은 각각의 이온통로인 나트륨 통로(Na+ channel)와 칼륨 통로(K+ channel)를 통하여 확산(diffusion)되어 세포막 안팎의 농도 차이를 줄이는 방향으로 이동할 것이다. 그러나, 나트륨-칼륨 펌프는 이런 확산과는 정반대 방향으로 나트륨 이온과 칼륨 이온을 이동시켜 농도 기울기(gradient)를 유지한다.식품안전법 등에서 나트륨 섭취량을 제한하는 법률이 있는 것은 체내 나트륨 농도의 과도한 증가는 나트륨-칼륨 펌프의 작용과 밀접한 관계가 있기 때문이다. 더군다나 소금이 흔해진 오늘날에는 칼륨보다 나트륨의 섭취가 훨씬 쉽기 때문에, 조금만 방심하고 음식을 먹었다가는 일일 권장 나트륨 섭취량을 훌쩍 넘겨 나트륨을 섭취하게 될 수 있으니 주의가 필요하다.[1] 반면에 무지막지한 칼륨 섭취량에 비해 나트륨 섭취 방법이 거의 없다시피한 반추동물들은 소금에 환장한다.
담수에서는 살 수 없고 해수에서만 살아갈 수 있는 수생동물들은 이 나트륨 칼륨 펌프가 없다. 대표적으로 오직 해수에서만 서식하는 두족류(오징어, 문어, 낙지 등)는 나트륨 칼륨 펌프 유전자가 존재하지 않는다.
은방울꽃은 이 나트륨-칼륨 펌프를 억제하는 성분(다시 말해 독)을 갖고 있기 때문에 주의해서 다뤄야 한다.
4. 의의
나트륨-칼륨 펌프는 들여보내고 내보내는 양이온의 수가 서로 다르기 때문에 세포막에 전압을 발생시키고(electrogenic), 유지시켜 세포의 부피가 커지는 것을 제지한다. 이는 깁스-도난 평형(Gibbs-Donnan equilibrium)의 모순을 해결하는 데에 비투과성 양이온과 함께 결정적인 역할을 하는 요인 중 하나이다.나트륨-칼륨 펌프가 존재하지 않거나 그 기능이 억제된다면 나트륨 이온은 세포 밖 농도가 높으니 유입, 칼륨 이온은 세포 안 농도가 높으니 유출된다. 이러면 세포 안팎의 이온 농도가 같게(등삼투성, isosmotic) 하기 위해서 물이 나트륨 이온과 같이 유입되어 세포의 부피를 늘리는 종창(swelling)을 일으킨다.
또한, 나트륨-칼륨 펌프에 의해 형성되고 유지되는 나트륨 이온의 농도 경사는 이차능동수송(secondary active transport)에서 다른 이온들을 농도 경사에 거슬러서 이동시키는 강력한 에너지 조달원이다. 이차능동수송은 칼륨 이온, 칼슘 이온(Ca2+), 염소 이온(Cl-) 등을 'ATP를 소모하지 않고' 농도 경사를 거슬러서 이동시킨다. 얼핏 보기에 일차능동수송처럼 에너지를 소모하지 않고서는 불가능할 것 같은 이 과정은 이차능동수송 막단백질이 나트륨 이온은 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동시키지만, 다른 이온들을 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 이동시키기 때문에 가능하다.