Die Na+/K+-Pumpe beeinflusst die Neurotransmitter-Rezeptoren, d.h. ihre Dichte und ihre Empfindlichkeit gegenüber dem Transmitter, und diese Auswirkungen werden nun betrachtet.

ACh-Rezeptoren Säugetierrezeptoren für ACh werden in nikotinische und muskarinische Rezeptoren unterteilt. Diese Rezeptoren können weiter in Subtypen unterteilt werden, nämlich in M1-M5-Muskarinrezeptoren (Caulfield und Birdsall 1998) und 16 Subtypen von Nikotinrezeptoren, nämlich α1-α9, β1-β4, ein γ, ein δ, ein ε (Lukas et al. 1999). Bei Mollusken wurden zunächst drei ACh-Rezeptoren in Aplysia funktionell identifiziert, und zwar ein Rezeptor für die schnelle Erregungsantwort, ein Rezeptor für die schnelle Hemmungsantwort und ein Rezeptor für die langsame Hemmungsantwort (Kehoe 1972). Die beiden Rezeptoren für die schnelle Erregungsreaktion sind nikotinisch, der Rezeptor für die langsame Hemmungsreaktion hat jedoch einzigartige Eigenschaften und wird nur durch ACh, Carbamylcholin und Arecolin aktiviert. Pinsker und Kandel (1969) schlugen vor, dass ein cholinerges Aplysia-Interneuron, L10, ein Follower-Neuron nicht durch eine Änderung der Membranleitfähigkeit, sondern durch Aktivierung einer elektrogenen Na+/K+-Pumpe aktiviert. Es wurde jedoch gezeigt, dass zumindest ein Teil dieser postsynaptischen Reaktion auf eine Erhöhung der K+-Permeabilität zurückzuführen ist (Kehoe und Ascher 1970). 1980 veröffentlichten Arvanov und Ayrapetyan einen Artikel über die depressive Wirkung von Ouabain auf die Amplitude des ACh-induzierten Stroms von Helix-Neuronen. Dies war eine wichtige Beobachtung und gab den Anstoß zu Studien über die Regulierung der Aktivität von Neurotransmittersystemen durch die Na+/K+-Pumpe.

Da Fraktionen endogener Ouabain-ähnlicher Verbindungen, Endobains, im Gehirn von Säugetieren gefunden wurden (Rodriguez De Lores Arnaiz et al. 1998), kann nicht ausgeschlossen werden, dass diese Verbindungen auch in wirbellosen Tieren vorkommen und kontinuierlich Transmitterrezeptoren durch Veränderungen der Aktivität der Pumpe in wirbellosen Nervensystemen regulieren. Eine Erhöhung des Endobainspiegels kann die Aktivität der Pumpe unterdrücken und damit die fördernde Wirkung der Na+/K+-ATPase auf die Aktivität des cholinergen Systems verringern, was auch bei Wirbellosen der Fall sein könnte. Für detaillierte Informationen über die Entwicklung der endogenen Ouabain-Na+/K+-Pumpen-Interaktionen wird der Leser auf die ausgezeichnete Übersichtsarbeit von Blaustein (2018) verwiesen.

In einer späteren, detaillierteren Arbeit (Ayrapetyan et al. 1985) wurde die Korrelation zwischen der Aktivität der Na+/K+-Pumpe und der Chemosensitivität der Membran mittels intrazellulärer Dialyse von Helix-Neuronen analysiert. Die Auswirkungen auf ACh- und GABA-induzierte Membranströme und die 3H-α-Bungarotoxin (3H-α-BT)- und 3H-GABA-Bindung in Helix-Ganglien wurden nach Veränderungen der Pumpenaktivität und des intrazellulären ATP analysiert. Die Exposition gegenüber entweder extrazellulärem 100 µM Ouabain oder einer kaliumfreien Lösung unterdrückte den ACh-induzierten Strom in dialysierten Neuronen vom A-Typ. Eine Erhöhung des intrazellulären ATP-Spiegels führte zu einer Depression des ACh-Stroms und zum Verschwinden der blockierenden Wirkung von Ouabain auf diese Ströme. Intrazelluläres ADP hatte eine ähnliche, aber weniger signifikante Wirkung auf die durch ACh ausgelösten Ströme, während intrazelluläres AMP unwirksam war. Diese Wirkung von intrazellulärem ATP auf den ACh-Strom wurde durch Dinitrophenol, einen Inhibitor der Membranphosphorylierung, unterdrückt. Ayrapetyan et al. (1985) vermuten, dass die Membranphosphorylierung die Affinität der Membranrezeptoren für ACh und GABA verringert.

Die Bindung von 3H-α-BT und 3H-GABA an die Membranen wurde sowohl durch ouabainhaltige als auch durch kaliumfreie Lösungen sowie durch Theophyllin und NaF gehemmt, die beide den Gehalt an intrazellulärem ATP erhöhen. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Na+/K+-Pumpe die Affinität der Membranrezeptoren für ACh und GABA moduliert. Die Tatsache, dass dies den Effekten ähnelt, die durch Modulatoren der Phosphorylierung beobachtet wurden, legt nahe, dass die Auswirkungen der Pumpenaktivität durch den phosphorylierten Zustand ihrer Rezeptoren vermittelt werden.

In einer späteren Arbeit zeigten Arvanov et al. (1992b), dass Ouabain selektiv die Reaktionen von Neuronen des Helix A-Typs auf ACh unterdrückt, was auf die selektive Erhöhung der Membranpermeabilität für Chlorid zurückzuführen ist. Diese Wirkung von Ouabain wird durch einen Anstieg des cAMP-Spiegels vermittelt. Im Gegensatz dazu wurden die Reaktionen von Neuronen des Helix-B-Typs, die hauptsächlich durch eine Erhöhung der Permeabilität einwertiger Kationen verursacht werden, durch Ouabain nicht beeinflusst. Die Blockade der Cl–Antworten war nicht mit einer Änderung des Umkehrpotenzials der Antwort verbunden. Arvanov et al. (1992a) schlossen daraus, dass die Wirkung von Ouabain nicht direkt mit der Desensibilisierung des ACh-Rezeptors zusammenhängt. Aus dem Artikel lässt sich schließen, dass das Ausmaß der Wirkung von Ouabain auf Helix mit einem Anstieg des cAMP-Spiegels bzw. der Phosphorylierung des ACh-Rezeptors in Neuronen des Typs A und dem Fehlen der Phosphorylierung des Rezeptors in Neuronen des Typs B zusammenhängen könnte.

In einer späteren Studie fanden Grigorian et al. (2001) ouabainempfindliche Muscarinrezeptoren vom Typ A und ouabainunempfindliche Nikotinrezeptoren vom Typ B auf demselben Neuron in H. pomatia. Die Aktivität des A- oder B-Typ-Rezeptors könnte vom physiologischen Zustand des Neurons abhängen, der wiederum vom Phosphorylierungszustand des Rezeptors und/oder dem Aktivitätsniveau einer endogenen ouabainähnlichen Verbindung abhängen könnte.

Zwei lösliche Fraktionen der Großhirnrinde, genannt Peaks I und II, die die neuronale Na+/K+-ATPase-Aktivität stimulieren bzw. hemmen, wurden durch Gelfiltration in Sephadex G-50 isoliert (Rodriguez De Lores Arnaiz et al. 1997, 1998, 1999). Da frühere Studien einen Zusammenhang zwischen cholinerger Übertragung und Na+/K+-ATPase-Aktivität nahelegten, untersuchten Rodriguez De Lores Arnaiz et al. (1999) die Auswirkungen dieser Spitzenwerte auf die Bindung des Muskarin-Antagonisten Quinuclidinylbenzilat an diese Membranen. Die Autoren stellten fest, dass die Bindung durch Peak I erhöht und durch Peak II, II-E (eine gereinigte Fraktion von II) und durch Ouabain verringert wurde, wobei diese Effekte konzentrationsabhängig waren. Diese Ergebnisse ähneln denen der synaptosomalen Na+/K+-ATPase, so dass die Autoren zu dem Schluss kamen, dass beide Systeme auf ähnliche Weise funktionieren. Die Stimulierung der Pumpe aktiviert nikotinische und muskarinische cholinerge Rezeptoren, und die Hemmung der Aktivität dieses Enzyms bewirkt den gegenteiligen Effekt.

Diese Schlussfolgerung stützt die Idee, dass es endogene Modulatoren der Na+/K+-Pumpe gibt, die die Pumpe physiologisch regulieren und indirekt die Signalgebung durch Modulation anderer Neurotransmitter-Rezeptoren bestimmen können.

Studien, die sich mit dem Rachen- und Körperwandmuskel von C. elegans und der Na+/K+-Pumpe befassen, sind ebenfalls in diesem Abschnitt enthalten, da beide Muskeln cholinerge Innervation erhalten (Chiang et al. 2006; Rand et al. 2000; Richmond und Jorgensen 1999). eat-6 kodiert für ein Ortholog der α-Untereinheit der Na+/K+-ATPase in C. elegans (Davis et al. 1995). Die Eigenschaften der Pharynxkontraktionen von eat-6-Mutanten unterscheiden sich vom Wildtyp dadurch, dass sie schwächer und langsamer sind und ihre Entspannung verzögert erfolgt. Intrazelluläre Ableitungen von endständigen Bulbusmuskelfasern der eat-6-Mutanten zeigen, dass der MP durchweg depolarisiert und die Aktionspotentiale (APs) in ihrer Amplitude reduziert sind. Davis et al. vermuten, dass aufgrund der verringerten Aktivität der Na+/K+-Pumpe die Ionengradienten in den Muskelfasern reduziert sind. Nach der Entfernung des Pharynxnervensystems bleibt der eat-6-Phänotyp bestehen, was darauf hindeutet, dass EAT-6 einen Wirkort in den Muskelfasern hat. Interessanterweise führte die Verabreichung von 20 µM Ouabain an sezierte Wildtyp-Pharynxe von C. elegans zu einer starken Verringerung der Relaxations-R-Transiente des Elektropharyngeogramms (EPG). Diese EPGs ähneln denen, die bei eat-6-Mutanten ermittelt wurden. Diese Wirkung von Ouabain konnte nach dem Waschen rückgängig gemacht werden. Höhere Konzentrationen von Ouabain (35-40 µM) führten zu einer Hyperkontraktion der Muskeln, ein Effekt, der auch bei eat-6-Mutanten beobachtet wurde.

Diese Studien mit eat-6-Mutanten wurden von Doi und Iwasaki (2008) erweitert, die herausfanden, dass Mutationen in EAT-6 die synaptische Wirksamkeit von ACh durch eine veränderte Expression und Lokalisierung von nAChRs an der neuromuskulären Verbindung von C. elegans beeinflussen. Es wird vermutet, dass die Na+/K+-Pumpe eine neuartige Rolle als Gerüstprotein spielen könnte, das dazu beiträgt, ein starres Rezeptorcluster direkt unter der präsynaptischen Freisetzungsstelle zu etablieren. Diese Effekte der EAT-6 Na+/K+-ATPase regulieren die cholinerge synaptische Übertragung unabhängig von der Aktivität der Pumpe. Doi und Iwasaki untersuchten auch die Lokalisierung der β-Untereinheit der Na+/K+-ATPase, NKB-1, der am meisten exprimierten der drei β-Untereinheiten der NKB in C. elegans. Das NKB-1-Protein bindet physikalisch an EAT-6, und nkb-1-Mutanten zeigten ähnliche Defizite wie eat-6-Mutanten, einschließlich Defekte beim Pumpen. Dies legt nahe, dass EAT-6 und NKB-1 in vivo eine funktionelle Na+/K+-ATPase bilden. Doi und Iwasaki erörtern mögliche Mechanismen, durch die die Na+/K+-ATPase die Bildung von nAChR-Clustern induzieren könnte. So könnte die Na+/K+-ATPase das nAChR-Trafficking durch Aktivierung/Inaktivierung der Src-Tyrosinkinase modulieren. Es hat sich gezeigt, dass die Bindung von Src an die Na+/K+-ATPase einen funktionellen Signalkomplex bilden kann (Tian et al. 2006). Es ist auch möglich, dass die Anzahl der postsynaptischen cholinergen Rezeptoren bei eat-6-Mutanten erhöht sein könnte. Doi und Iwasaki (2008) fanden außerdem heraus, dass die Levamisol- und Nikotinrezeptoren von eat-6-Mutanten in ihrer Expression und Lokalisierung in der Muskelverbindung der Körperwand unterschiedlich beeinträchtigt sind. Auch die Empfindlichkeit gegenüber ACh-Agonisten war bei eat-6-Mutanten erhöht.

Ethanol kann bei C. elegans durch Aktivierung einer neuen α-Untereinheit, die mit dem cholinergen Körperwandmuskelrezeptor assoziiert ist, eine Hyperkontraktion verursachen (Hawkins et al. 2015). Diese Hyperkontraktion kann sich trotz kontinuierlicher Anwesenheit von Ethanol nach 40 Minuten umkehren, was auf eine Ethanoltoleranz hinweist. Die Autoren stellten eine Verbindung zwischen dieser cholinergen Signalübertragung, der Na+/K+-ATPase und der Ethanoltoleranz her. Eine ungewöhnliche Mutation in EAT-6, eat-6 (eg200), entwickelte beispielsweise keine Toleranz gegenüber der durch Ethanol induzierten Hyperkontraktion, was darauf hindeutet, dass die Funktion der Na+/K+-ATPase für die Entwicklung der Ethanoltoleranz in C. elegans erforderlich ist.

Glutamatrezeptoren Glutamat ist der wichtigste erregende synaptische Transmitter im Säugetiergehirn und wirkt auch als Transmitter in Wirbellosen (Walker et al. 1996). In den 1990er Jahren wurden die Glutamatrezeptoren dank der Anwendung molekularbiologischer Methoden zur Untersuchung in ionotrope (iGlu) und metabotrope (mGlu) Rezeptoren unterteilt (Mosharova 2001). NMDA-, AMPA- und Kainatrezeptoren werden als ionotrope (d. h. Ionenkanal-) Rezeptoren bezeichnet. Alle anderen Rezeptoren werden als metabotrope (mGluRs) bezeichnet und regulieren Ionenkanäle und Enzyme, die über spezifische, an G-Proteine gekoppelte Rezeptoren Botenstoffe produzieren. Es gibt acht mGluRs, die je nach dem Grad der Erhaltung ihrer Aminosäuresequenzen und ihrer Wirkungsweise in die drei Gruppen I, II und III unterteilt werden (Pin und Duvoison 1995). AMPARs vermitteln den größten Teil der schnellen exzitatorischen synaptischen Übertragung (Trussell et al. 1994), während NMDARs eine wichtige Rolle bei der Modulation der synaptischen Wirksamkeit spielen und synaptische Plastizität erzeugen (Hunt und Castillo 2012).

AMPARs sind Heterotetramere, die aus verschiedenen Kombinationen der vier Untereinheiten GluA1-4 zusammengesetzt sind, wobei die häufigsten Rezeptoren GluA1/GluA2 oder GluAR2/GluA3 enthalten. NMDARs bestehen aus GluN1-Untereinheiten und mindestens einer GluN2-Untereinheit von vier GluN2-Untertypen, GluN2A-2D. AMPAR und NMDAR kollokalisieren in der postsynaptischen Domäne in hoher Dichte, wahrscheinlich stabilisiert und reguliert durch Interaktion mit zytosolischen Gerüstproteinen (Traynelis et al. 2010).

AMPARs sind in erster Linie Natriumkanäle. Im Vergleich dazu erlauben NMDARs sowohl den Eintritt von Natrium als auch von Kalzium, wobei letzteres eine wichtige Rolle bei der synaptischen Plastizität spielt, da Kalzium eine Vielzahl von nachgeschalteten Signalereignissen auslöst.

NMDARs spielen eine wichtige Rolle bei der Erregungsübertragung, der Plastizität und der Exzitotoxizität im Gehirn (Zhang et al. 2012a). Ihre Aktivierung verstärkt die Langzeitpotenzierung und verringert die Langzeitdepression an Schaffer-Kollateral-CA1-Synapsen im Hippocampus. Der NMDA-Rezeptor ist gleichzeitig ein potenzialabhängiger und ligandenabhängiger Ionenkanal, der selektiv positiv geladene Ionen überträgt. Der größte Teil des Ionenstroms besteht aus Kalzium- und Natrium-Ionen, die in die Zelle eindringen und Kalium-Ionen aus der Zelle freisetzen. Der NMDA-Rezeptor besteht aus vier Untereinheiten, zwei der NR1-Klasse und zwei der NR2-Klasse. Eine dritte Untereinheit des NMDA-Rezeptors, NR3, wurde später identifiziert und von Low und Wee (2010) beschrieben.

Ein endogener Na+/K+-ATPase-Inhibitor, Endobain E (Fraktion IIE), wurde aus dem Rattenhirn isoliert und hat mehrere Eigenschaften mit Ouabain gemeinsam. Endobain besitzt neurotoxische Eigenschaften, die auf die Hemmung der Na+/K+-ATPase zurückzuführen sind, die zur Aktivierung von NMDAR führt, was das Konzept unterstützt, dass die intrazellulären Konzentrationen von Na+- und K+-Ionen die Funktion von NMDAR modulieren können (Reines et al. 2001, 2004). Die Wirkung von Endobain E auf die Expression von NMDA-Rezeptor-Untereinheiten in Membranen der Großhirnrinde und des Hippocampus von Ratten wurde mittels Western Blot analysiert (Bersier et al. 2008). Zwei Tage nach Verabreichung von 10 µl Endobain (1 μl pro 28 mg Gewebe) stieg die Expression der NR1-Untereinheit in der Großhirnrinde und im Hippocampus um das Fünffache bzw. das 2,5-Fache. Die Expression der Untereinheiten NR2A, NR2B und NR2D nahm in beiden Hirnregionen zu. Die Expression der NR2C-Untereinheit war in beiden Bereichen nicht beeinträchtigt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Endobain E die Expression von NMDA-Rezeptor-Untereinheiten unterschiedlich verändert.

Die erregende synaptische Übertragung in der Hirnrinde von Säugetieren beinhaltet die Aktivierung von AMPARs und den Eintritt von Na+ in die Zelle, das über die Aktivierung der Na+/K+-ATPase entfernt werden muss. Es ist anzunehmen, dass zwischen diesen Rezeptoren und der Na+/K+-ATPase eine Wechselwirkung besteht. Interessanterweise wurde gezeigt, dass Na+/K+-ATPase an synaptischen Stellen reichlich vorhanden ist und mit AMPARs kolokalisiert ist (Zhang et al. 2009). Diese Autoren schlagen eine Interaktion zwischen der Na+/K+-ATPase α1-Untereinheit und dem intrazellulären C-Terminus der GluR2-Untereinheiten vor. Nach einer Hemmung der Na+/K+-ATPase kommt es zu einer schnellen Internalisierung und einem proteasomal vermittelten Abbau von AMPARs und einer Unterdrückung der AMPA-vermittelten synaptischen Übertragung. Dies deutet auf eine homöostatische Regulierung der AMPARs durch die Na+/K+-ATPase hin. Es wird angenommen, dass die intrazelluläre Na+-Akkumulation, die durch die Inaktivität der Na+/K+-ATPase verursacht wird, zu einer Beseitigung von Na+-Kanälen an der Zelloberfläche führt. Der Ouabain-induzierte AMPAR-Abbau wird in Gegenwart von Proteasom-Inhibitoren aufgehoben. Es ist möglich, dass dieser Abbauweg durch endogene Na+/K+-ATPase-Inhibitoren moduliert wird. Auf diese Weise könnte die Pumpe eine wichtige Funktion bei der Regulierung der synaptischen AMPAR-Verteilung und -Übertragung spielen, die wesentliche Komponenten der Plastizität sind (Man 2012). Dazu können endogenes Ouabain, Endobain und Agrin gehören (Hilgenberg et al. 2006; Schoner 2000, 2002). Somit kann die Na+/K+-ATPase den AMPAR-Umsatz, die synaptische Stärke und die Gehirnfunktion regulieren. Eine Dysfunktion der Na+/K+-ATPase nach Hypoxie, Ischämie und Schlaganfall ist eine wichtige frühe pathologische Reaktion (Zhang et al. 2009).

Na+/K+-ATPase und NMDARs spielen eine wichtige Rolle bei der Regulierung von Lernen und Gedächtnis im Hippocampus (Zhang et al. 2012a), wobei erstere als Ionentransporter und letztere als Ionenkanäle wirken. Diese Autoren verwendeten Dihydro-Oabain, um seine Auswirkungen auf NMDA-Ströme in CA1-Neuronen des Hippocampus der Ratte zu untersuchen. Dihydro-Ouabain (10-1000 µM) erhöhte diese NMDA-Ströme, jedoch nicht durch die Aktivierung von Proteinkinase A oder C. Selektive Inhibitoren der Src-Tyrosinkinase und der Mitogen-aktivierten Proteinkinasen (MARK)-Kaskade blockierten jedoch die durch Dihydro-Ouabain induzierten NMDA-Ströme. Zhang et al. (2012a) kamen zu dem Schluss, dass Src den Crosstalk zwischen Na+/K+-ATPase und NMDARs vermittelt, um die Signale von der Na+/K+-ATPase an die MARK-Kaskade weiterzuleiten.

Die Aktivierung von NMDA-Rezeptoren verändert die intrazellulären Konzentrationen von Na+ und K+, die anschließend von der Na+/K+-ATPase wiederhergestellt werden. Es wurde beobachtet, dass NMDA-Rezeptor und Na+/K+-ATPase miteinander interagieren, und diese Interaktion wurde für beide Isoformen der α-Untereinheit (α1 und α3) der Na+/K+-ATPase gezeigt, die in Neuronen exprimiert werden (Akkuratov et al. 2015). Mithilfe von Western Blotting zeigten diese Autoren, dass eine langfristige Exposition der Primärkultur von Kleinhirnneuronen der Ratte gegenüber nanomolaren Konzentrationen von Ouabain zu einem Rückgang der NMDAR-Untereinheiten NR1 und NR2B führt, der wahrscheinlich durch die α3-Untereinheit der Na+/K+-ATPase vermittelt wird. Dies unterscheidet sich von früheren Arbeiten, bei denen die Injektion von Endobain E zu einer erhöhten NMDAR-Expression in der Großhirnrinde und im Hippocampus führte (Bersier et al. 2008). Die Autoren vermuten, dass dieser Unterschied auf eine unterschiedliche Hirnregion oder einen Unterschied in der Wirkungsweise von Endobain E und Ouabain zurückzuführen sein könnte. Eine Abnahme der enzymatischen Aktivität der α1-Untereinheit der Na+/K+-ATPase wurde ebenfalls nach einer NMDAR-Aktivierung beobachtet. Dieser Effekt wird durch einen Anstieg des intrazellulären Ca2+ vermittelt. Somit können Na+/K+-ATPase und NMDAR funktionell interagieren, indem sie einen makromolekularen Komplex bilden, der für die Wiederherstellung des Ionengleichgewichts nach neuronaler Erregung wichtig sein kann (Akkuratov et al. 2015). Darüber hinaus kann die Funktion von NMDAR durch endogene Ouabain-ähnliche Verbindungen reguliert werden.

Toxizitätseffekte von Ouabain Die Inaktivierung der zellulären Na+/K+-ATPase in neuro-glialen Zellkulturen des Kleinhirns durch 1 mM Ouabain führt zu einer Glutamat (Glu)-Akkumulation, einer Hyperstimulation der Glutamatrezeptoren und einem erhöhten Ca2+- und Na+-Einstrom in die Zellen durch Glu-aktivierte Kanäle (Stelmashook et al. 1999). Dieser Prozess führt zum Anschwellen der Zellen, zur Deenergetisierung der Mitochondrien und zum Tod der Körnerzellen. Die Zugabe eines NMDAR-Antagonisten mit Ouabain verhinderte jedoch diese Reaktionen. Die Autoren vermuten, dass ein Rückgang der Na+/K+-ATPase-Aktivität in Neuronen zum Auftreten chronischer neurologischer Störungen beitragen kann.

Verschiedene Alpha-Isoformen der Na+/K+-ATPase, die unterschiedlich empfindlich auf Ouabain reagieren, haben möglicherweise unterschiedliche Signalfunktionen. Die Hemmung der Alpha-3-Isoform der neuronalen Na+/K+-ATPase der Ratte bei niedriger (100 nM) Ouabain-Konzentration führte zur Aktivierung der MAP-Kinase-Kaskade über PKC und PIP3-Kinase. Im Gegensatz zur ouabain-sensitiven alpha3-Isoform der Na+/K+-ATPase reguliert eine ouabain-resistente alpha1-Isoform (Hemmung mit 1 mM Ouabain) der Na+/K+-ATPase die MAP-Kinase über Src-Kinase-abhängige Reaktionen. Die Verwendung eines Annexin V-FITC-Apoptosetests zur Bestimmung der Zellen mit frühen apoptotischen Merkmalen lässt den Schluss zu, dass die alpha3-Isoform den apoptotischen Prozess in Kleinhirnneuronen stimuliert und die alpha1-Isoform ihn unterdrückt. Diese Daten sind der erste Nachweis für die Beteiligung von Ouabain-resistenten (alpha-1) und Ouabain-sensitiven (alpha-3) Na+/K+-ATPase-Isoformen an verschiedenen Signalwegen in neuronalen Zellen (Karpova et al. 2010a, b).

Glutamatrezeptoren in Wirbellosen Die wichtige Rolle der glutamatergen Übertragung in allen Wirbellosen-Klassen weist auf einen Weg hin, über den die Na+/K+-Pumpe die glutamaterge Übertragung beeinflussen könnte. Dieser Transmitter spielt eine wichtige Rolle an der NMJ von Arthropoden. Darüber hinaus ist er ein entscheidender Faktor im Zentralnervensystem anderer großer Wirbelloser (Walker et al. 1996). An diesen wichtigen Funktionen sind sowohl homologe ionotrope als auch metabotrope Glutamatrezeptoren beteiligt. Zwischen Glutamatrezeptoren und höheren Verhaltensformen besteht phylaübergreifend eine enge Beziehung (siehe Übersicht Robbins und Murphy 2006). Trotzdem sind bisher keine wirbellosen Glutamatrezeptoren beschrieben worden, die durch die Na+/K+-Pumpe moduliert werden. Glutamat- und Nicht-NMDA-Glutamat-Agonisten depolarisieren jedoch Blutegel-Glia- und Retzius-Zellen, verändern die intrazelluläre Na+-Aktivität und induzieren eine Nach-Hyperpolarisation (Dorner et al. 1994). Diese Nach-Hyperpolarisation wird durch 100 µM Ouabain blockiert und wenn externes Natrium teilweise durch Lithium ersetzt wird. Diese Experimente zeigen, dass direkte Wirkungen von Glutamat und Nicht-NMDA-Glutamat-Agonisten eine Na+/K+-Pumpe aktivieren können.

GABA-Rezeptoren Säugetier-GABARs werden in GABAA-, GABAB- und GABAC-Rezeptoren unterteilt (Olsen 2018). GABAA- und GABAC-Rezeptoren sind ionotrop, während GABAB-Rezeptoren metabotrop sind. Es gibt relativ wenig Literatur über die Interaktion zwischen Na+/K+-ATPase und GABARs. Studien mit RNA aus Rattenhirn, die in Xenopus-Oozyten injiziert wurde, zeigten die Wirkung von Ouabain auf GABA-Rezeptoren (Arvanov 1990; Arvanov und Usherwood 1991). Vier bis zehn Tage nach der Injektion reagierten die Oozyten auf die Verabreichung von 1-100 µM GABA, L-Kainat und L-Glutamat. Alle drei Verbindungen riefen Einwärtsströme hervor. In ouabainhaltiger Kochsalzlösung waren die Reaktionen auf GABA, L-Kainat und L-Glutamat sowohl bei follikulierten als auch bei defollikulierten Oozyten um 80-120 %, 20-30 % bzw. 20-40 % erhöht. Die Umkehrpotenziale für diese agonistisch induzierten Ströme änderten sich in Gegenwart von Ouabain nicht. 100 µM Ouabain erhöhte auch das Gewicht und das Volumen der Oozyten. Die Autoren schlugen vor, dass Ouabain durch die Vergrößerung des Oozytenvolumens die Fläche der Oozytenmembran vergrößert, die Rezeptoren enthält und für exogen applizierte Agonisten zugänglich ist. Dies legt nahe, dass die Wirkung von Ouabain direkt ist. Die Schlüsselrolle der Na+/K+-ATPase bei der Regulierung der Cl-Flüsse (siehe oben) bedeutet, dass es möglich ist, dass diese Wirkung diese wichtige Klasse hemmender Rezeptoren moduliert.

Dopaminrezeptoren (DARs) Die Na+/K+-ATPase ist an der Regulierung der DARs beteiligt. DARs können mit einer Reihe von Molekülen interagieren, die gemeinsam als Dopaminrezeptor-interagierende Proteine (DRIPs) bezeichnet werden und nicht nur die Rezeptorsignalisierung regulieren, sondern auch zum Rezeptortransport und zur Stabilität sowie zur Bildung des DAR-Signalkomplexes in den Zellen beitragen (Kabbani und Levenson 2007). Bertorello et al. (1990) wiesen nach, dass Dopamin durch eine synergistische Wirkung auf D1- und D2-Rezeptoren die Na+/K+-ATPase-Aktivität isolierter striataler Neuronen hemmt. Dies führt zu einer vorübergehenden Depolarisierung des MP mit einem Anstieg des intrazellulären Na+. Die DARs der Säugetiere werden in zwei Familien unterteilt, nämlich D1 und D2. Die D1-Familie enthält die Subtypen D1 und D5, die an das heterotrimere G-Protein GS gekoppelt sind und die Aktivität der Adenylylcyclase positiv regulieren. Die Subtypen der D2-Familie, nämlich D2, D3 und D4, sind an hemmende GI/O-Proteine gekoppelt und verringern die Aktivität der Adenylylcyclase. Dopamin und andere Katecholamine modulieren die Aktivität der Na+/K+-ATPase über zwei Mechanismen: zum einen über eine direkte Wirkung auf das Enzym und zum anderen über die Katecholaminrezeptoren, jedoch unter Beteiligung der PKC- und PKA-Wege. Letztere aktivieren die Na+/K+-ATPase durch Stimulierung der PKC- und PKA-Wege in bestimmten Geweben (Therien und Blostein 2000). Die Bindung von Dopamin an neostriatale neuronale D1-DARs hemmt die Aktivität der Na+/K+-ATPase, während die Bindung von Dopamin an D2-DARs Natriumkanäle aktiviert, wodurch das intrazelluläre Natrium erhöht und die Na+/K+-ATPase aktiviert wird (Aizman et al. 2000). Mithilfe von Co-Immunopräzipitation und Massenspektrometrie wurde gezeigt, dass D1- und D2-DARs in einem Komplex mit Na+/K+-ATPase existieren (Hazelwood et al. 2008). Diese Autoren führten biologische Assays mit Na+/K+-ATPase und DARs durch, die in HEK293T-Zellen gemeinsam exprimiert wurden, um die Auswirkungen der Na+/K+-ATPase auf die DAR-Funktion zu untersuchen. Die Transfektion von D1- oder D2-DARs in HEK293T-Zellen führte zu einer deutlichen Verringerung der Na+/K+-ATPase-α1-Aktivität, ohne dass sich die Proteinmenge des Enzyms änderte. DARs sind in der Lage, die Funktion der Na+/K+-ATPase in Abwesenheit von Dopamin und ohne Veränderung der Enzymkonzentration zu verringern. Dies ist ein weiterer Beweis für die Bedeutung eines interagierenden Komplexes. Die gemeinsame Expression der beiden Proteine in einem Signalplex (ein Begriff zur Beschreibung eines Rezeptorkomplexes, der aus einer Vielzahl von Proteininteraktionen besteht, siehe Hazelwood et al. 2010) führte zu einer wechselseitigen Dämpfung der Funktion des jeweils anderen. Diese Arbeit zeigt, dass die Interaktion zwischen DARs und der α1-Untereinheit der Na+/K+-ATPase zu einer wechselseitigen Modulation der Funktion zwischen den beiden Proteinen führt, sowohl in Anwesenheit als auch in Abwesenheit von Liganden, was einen neuartigen Kontrollmechanismus für die DAR-Signalgebung und das Ionengleichgewicht in der Zelle darstellt.

DARs sind an der Anpassung der Aktivität der striatalen Na+/K+-ATPase von Mäusen nach Aktivierung von Opioidrezeptoren durch Morphin beteiligt (Wu et al. 2007). In vivo stimulierte eine kurzfristige Morphinbehandlung die Na+/K+-ATPase-Aktivität, und diese Stimulation wurde durch einen D2R-Antagonisten gehemmt, während eine langfristige Morphinbehandlung die Na+/K+-ATPase hemmte und diese Hemmung durch einen D1R-Antagonisten gehemmt wurde. Eine cAMP-abhängige Proteinkinase A war an der Regulierung der Na+/K+-ATPase-Aktivität durch Morphin beteiligt.

Invertebrate DAR-Interaktion mit Na+/K+-ATPase Die Komplexität der Dopamin-Signalübertragung bei Invertebraten ist gut bekannt, und alle wichtigen Phyla exprimieren Homologe von Säugetier-DARS (Walker et al. 1996; Troppmann et al. 2014). Ein Beispiel ist die Interaktion zwischen Na+/K+-ATPase und Dopaminrezeptoren der Azinuszellen der Zecke Ixodes scapularis (Kim et al. 2016). Die Dopamin-induzierte Speicheldrüsensekretion wurde durch Ouabain (10 µM) gehemmt, das den Flüssigkeitstransport in Typ-III-Azini blockierte. Kim et al. (2016) legen nahe, dass das Ziel der D1-Rezeptor-vermittelten intrazellulären Signalisierung für die Speicheldrüsensekretion die Na+/K+-ATPase ist. Die Grundlage dieser funktionellen Interaktion muss noch geklärt werden. Funktioniert sie durch direkte Proteininteraktionen, wie sie für Säugetiere beschrieben wurden, oder durch eine Verschiebung der Ionengradienten, die für eine normale Zellfunktion erforderlich sind? Beweise für solche Interaktionen im Nervensystem von Wirbellosen fehlen.

Serotonin (5-Hydroxytryptamin)-Rezeptoren (5-HTRs) 5-HTRs werden in G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) und ligandengesteuerte Ionenkanäle eingeteilt und vermitteln sowohl erregende als auch hemmende Wirkungen (Hoyer et al. 1994). Es gibt mindestens sechs GPCRs, nämlich 5-HT1, 5-HT2, 5-HT4-7, die in Subtypen unterteilt werden können, und einen ligandengesteuerten Na+- und K+-Kationenkanal, 5-HT3. 5-HT moduliert die Aktivität der Na+/K+-ATPase in CA1-Pyramidalneuronen im Hippocampus der Ratte (Zhang et al. 2012b). Diese Hemmung erfolgt über 5-HT3Rs, da sie durch einen 5-HT3R-Antagonisten, nicht aber durch einen 5-HT1R-Antagonisten verringert wurde. Darüber hinaus ahmte ein 5-HT3R-Agonist die Wirkung von 5-HT nach. 5-HT-Agonisten können die Aktivität der Na+/K+-ATPase in der Großhirnrinde von Ratten ab dem 21. Tag verändern (Hernández 1982), und dieser Effekt wird durch 5-HT-Antagonisten blockiert. Nach einem Zustand induzierter 5-HT-Rezeptorüberempfindlichkeit war die Reaktion der Na+/K+-ATPase auf 5-HT-Agonisten verstärkt. Der Autor kam zu dem Schluss, dass die Empfindlichkeit des 5-HT-Rezeptors im Rattenhirn mit der Na+/K+-ATPase zusammenhängt.

5-HT wirkt als Transmitter in allen wichtigen Phyla (Walker et al. 1996). Es gibt jedoch kaum Hinweise auf Wechselwirkungen zwischen 5-HTRs und der Na+/K+-Pumpe. Die Injektion von Na+ in sensorische Neuronen des Blutegels (H. medicinalis) führt dazu, dass die MP aufgrund der Aktivierung der Na+/K+-ATPase negativer wird (Catarsi und Brunelli 1991). Dieser Anstieg der Negativität wird durch 5-HT blockiert, das die Aktivität der Na+/K+-Pumpe in den T-Zellen durch cAMP direkt hemmt (Catarsi et al. 1993). Eine wiederholte Stimulation des rezeptiven Feldes von T-Zellen führt zu einer verstärkten Nach-Hyperpolarisation (AHP) in T-Zellen, die hauptsächlich auf eine erhöhte Na+/K+-ATPase-Aktivität zurückzuführen ist (Scuri et al. 2002). Die AHP wird durch 5-HT oder die Hemmung der Na+/K+-Pumpe reduziert, was die Leitung von Aktionspotenzialen in synaptischen Endigungen erleichtern und für die Kurzzeitplastizität wichtig sein könnte (Scuri et al. 2007). Die Hemmung der Na+/K+-Pumpe nach Injektion von 10 nM Dihydro-Ouabain führt zu einem schnelleren Schwimmverhalten, was auf eine Rolle der Pumpe in der Physiologie des Schwimmens beim Blutegel schließen lässt. Die Interaktion zwischen 5-HT und der Na+/K+-Pumpe auf molekularer Ebene im Blutegel ist jedoch nicht bekannt.