Котранспортеры — это подкатегория мембранных транспортных белков (транспортеров), которые связывают благоприятное движение одной молекулы с градиентом ее концентрации и неблагоприятное движение другой молекулы против градиента ее концентрации. Они обеспечивают совмещенный или котранспорт (вторично-активный транспорт) и включают антипортеры и симпортеры . В целом котранспортеры состоят из двух из трех классов интегральных мембранных белков, известных как транспортеры, которые перемещают молекулы и ионы через биомембраны. Унипортеры также являются переносчиками, но перемещают только один тип молекул по градиенту концентрации и не классифицируются как котранспортеры. [1]
Котранспортеры способны перемещать растворенные вещества вверх или вниз по градиенту со скоростью от 1000 до 100 000 молекул в секунду. Они могут действовать как каналы или транспортеры, в зависимости от условий, в которых их анализируют. Движение происходит за счет связывания двух молекул или ионов одновременно и использования градиента концентрации одного растворенного вещества, чтобы заставить другую молекулу или ион противостоять его градиенту. Некоторые исследования показывают, что котранспортеры могут функционировать как ионные каналы, что противоречит классическим моделям. Например, транспортер HKT1 пшеницы демонстрирует два способа транспорта одного и того же белка. [2]
Котранспортеры можно разделить на антипортеры и симпортеры . Оба используют электрический потенциал и/или химические градиенты для перемещения протонов и ионов против градиента их концентрации. У растений протон считается вторичным веществом, и высокая концентрация протонов в апопласте обеспечивает перемещение внутрь некоторых ионов симпортерами. Градиент протонов перемещает ионы в вакуоль с помощью антипортера протон-натрий или антипортера протон-кальций. У растений транспорт сахарозы распределяется по всему растению с помощью протонного насоса, где насос, как обсуждалось выше, создает градиент протонов, так что на одной стороне мембраны их намного больше, чем на другой. Когда протоны диффундируют обратно через мембрану, свободная энергия, высвобождаемая в результате этой диффузии, используется для совместного транспорта сахарозы. У млекопитающих глюкоза транспортируется с помощью натрий-зависимых транспортеров глюкозы, которые используют в этом процессе энергию. Здесь, поскольку и глюкоза, и натрий транспортируются через мембрану в одном направлении, их можно классифицировать как симпортеры. Система переносчика глюкозы была впервые выдвинута доктором Робертом К. Крейном в 1960 году, это обсуждается далее в статье. [2] [3]
Доктор Роберт К. Крейн , выпускник Гарварда, довольно долгое время работал в области биохимии углеводов. Его опыт в области биохимии глюкозо-6-фосфата , фиксации углекислого газа, исследований гексокиназы и фосфатов привел его к гипотезе о совместном транспорте глюкозы вместе с натрием через кишечник. На фото справа — доктор Крейн и его рисунок котранспортной системы, которую он предложил в 1960 году на международном совещании по мембранному транспорту и метаболизму. Его исследования были подтверждены другими группами и теперь используются в качестве классической модели для понимания котранспортеров. [4]
Антипортеры и симпортеры одновременно переносят два или более разных типов молекул в совмещенном движении. Энергетически неблагоприятное движение одной молекулы сочетается с энергетически выгодным движением другой молекулы (молекул) или иона (ионов), чтобы обеспечить энергию, необходимую для транспорта. Этот тип транспорта известен как вторично-активный транспорт и осуществляется за счет энергии, получаемой от градиента концентрации ионов/молекул через мембрану, в которую интегрирован белок-котранспортер. [1]
Котранспортеры претерпевают цикл конформационных изменений , связывая движение иона с градиентом его концентрации (движение вниз) с движением котранспортируемого растворенного вещества против его градиента концентрации (движение вверх). [5] В одной конформации белок будет иметь сайт связывания (или сайты в случае симпортеров), расположенный на одной стороне мембраны. При связывании как молекулы, которая должна транспортироваться вверх, так и молекулы, которая должна транспортироваться вниз, произойдет конформационное изменение. Это конформационное изменение приведет к тому, что связанные субстраты окажутся на противоположной стороне мембраны, где субстраты будут диссоциироваться. И молекула, и катион должны быть связаны, чтобы произошло конформационное изменение. Этот механизм был впервые предложен Олегом Жардецким в 1966 году. [6] Этот цикл конформационных изменений переносит только один ион субстрата за раз, что приводит к довольно медленной скорости транспорта (от 10 0 до 10 4 ионов или молекул в секунду) по сравнению с к другим транспортным белкам, таким как ионные каналы . [1] Скорость, с которой происходит этот цикл конформационных изменений, называется скоростью оборота (TOR) и выражается как среднее количество полных циклов в секунду, выполняемых одной молекулой-котранспортером. [5]
Антипортеры используют механизм котранспорта (сочетание движения одного иона или молекулы вниз по градиенту концентрации с транспортом другого иона или молекулы вверх по градиенту концентрации), чтобы перемещать ионы и молекулы в противоположных направлениях. [1] В этой ситуации один из ионов переместится из экзоплазматического пространства в цитоплазматическое пространство , а другой ион переместится из цитоплазматического пространства в экзоплазматическое пространство. Примером антипортера является натрий-кальциевый обменник . Функция натрий-кальциевого обменника заключается в удалении избытка кальция из цитоплазматического пространства в экзоплазматическое пространство против градиента его концентрации путем сопряжения его транспорта с транспортом натрия из экзоплазматического пространства вниз по градиенту его концентрации (устанавливается активным транспортом натрия из клетку с помощью натрий-калиевого насоса ) в цитоплазматическое пространство. Натрий-кальциевый обменник обменивает 3 иона натрия на 1 ион кальция и представляет собой катион- антипортер. [7]
Клетки также содержат антипортеры анионов , такие как белок-переносчик анионов Band 3 (или AE1). Этот котранспортер является важным интегральным белком в эритроцитах млекопитающих и перемещает ионы хлорида и ионы бикарбоната через плазматическую мембрану в соотношении один к одному, основываясь только на градиенте концентрации двух ионов. Антипортер AE1 необходим для удаления отходов углекислого газа , который превращается в бикарбонат внутри эритроцита. [8]
В отличие от антипортеров, симпортеры перемещают ионы или молекулы в одном направлении. [1] В этом случае оба транспортируемых иона будут перемещаться либо из экзоплазматического пространства в цитоплазматическое пространство, либо из цитоплазматического пространства в экзоплазматическое пространство. Примером симпортера является натрий-глюкозосвязанный транспортер или SGLT. SGLT функционирует, соединяя транспорт натрия в экзоплазматическом пространстве по градиенту его концентрации (опять же, установленному активным транспортом натрия из клетки натрий -калиевым насосом ) в цитоплазматическое пространство с транспортом глюкозы в экзоплазматическом пространстве. пространство против градиента его концентрации в цитоплазматическое пространство. SGLT связывает движение 1 иона глюкозы с движением 2 ионов натрия. [9] [10]
Котранспортер Na + /глюкозы (SGLT1) – также известен как котранспортер натрий-глюкозы 1 и кодируется геном SLC5A1. SGLT1 является электрогенным переносчиком, поскольку электрохимический градиент натрия перемещает глюкозу вверх в клетки. SGLT1 представляет собой высокоаффинный котранспортер Na + /глюкозы, который играет важную роль в переносе сахара через эпителиальные клетки проксимальных канальцев почек и кишечника, в частности тонкого кишечника. [11] [12]
Котранспортер Na + /фосфата (NaPi) – котранспортеры натрия-фосфата относятся к семействам белков SLC34 и SLC20. Они также обнаруживаются в эпителиальных клетках проксимальных канальцев почек и тонкой кишки. Он переносит неорганический фосфат в клетки посредством активного транспорта с помощью градиента Na + . Подобно SGTL1, они классифицируются как электрогенные переносчики. NaPi в сочетании с 3 ионами Na + и 1 двухвалентным Pi классифицируются как NaPi IIa и NaPi IIb. NaPi, который соединяется с 2 Na + и 1 двухвалентным Pi, классифицируется как NaPi IIc. [11] [13]
Na + /I − симпортер (NIS) – йодид натрия – это тип симпортера, который отвечает за перенос йодида в щитовидной железе. НИС преимущественно обнаруживается в клетках щитовидной железы, а также в молочных железах. Они расположены на базолатеральной мембране фолликулярных клеток щитовидной железы, где 2 иона Na + и 1 ион I - соединяются для переноса йодида. Деятельность НИС помогает в диагностике и лечении заболеваний щитовидной железы, включая весьма успешное лечение рака щитовидной железы радиоактивным йодидом после тиреоидэктомии. [11] [14]
Симпортер Na-K-2Cl . Этот специфический котранспортер регулирует объем клетки, контролируя содержание воды и электролита внутри клетки. [15] Котранспортер Na-K-2Cl жизненно важен для секреции соли в клетках секреторного эпителия, а также для реабсорбции соли в почках. [16] Существуют два варианта симпортера Na-K-2Cl, известные как NKCC1 и NKCC2. Котранспортный белок NKCC1 встречается во всем организме, но NKCC2 обнаруживается только в почках и удаляет натрий, калий и хлорид, содержащиеся в моче организма, поэтому они могут всасываться в кровь. [17]
Транспортер ГАМК (GAT) – переносчики нейротрансмиттера γ-аминомасляной кислоты (ГАМК) являются членами семейства переносчиков растворенных веществ 6 (SLC6) натрий- и хлорид-зависимых переносчиков рецепторов нейротрансмиттеров, которые расположены в плазматической мембране и регулируют концентрацию ГАМК в синаптическая щель . Ген SLC6A1 кодирует транспортеры ГАМК. [18] Транспортеры являются электрогенными и образуют пары 2 Na + , 1 Cl - и 1 ГАМК для внутренней транслокации. [11] [19]
K + Cl - Симпортер . Семейство котранспортеров K + -Cl - состоит из четырех специфических симпортеров, известных как KCC1, KCC2, KCC3 и KCC4. Изоформа KCC2 специфична для нейрональной ткани, а остальные три можно обнаружить в различных тканях по всему организму. Это семейство котранспортеров контролирует уровни концентрации калия и хлорида внутри клеток посредством совместного движения обменников K + /H + и Cl - /HCO3 - или посредством совместного движения обоих ионов благодаря каналам, активируемым концентрацией. Четыре известных белка KCC объединяются, образуя два отдельных подсемейства, где KCC1 и KCC3 соединяются вместе, а KCC2 и KCC4 становятся парой, облегчая движение ионов. [20]
Таблица 1: Список болезней, связанных с переносчиками. [21]