В клеточной биологии активный транспорт — это перемещение молекул или ионов через клеточную мембрану из области с более низкой концентрацией в область с более высокой концентрацией — против градиента концентрации . Активный транспорт требует клеточной энергии для осуществления этого перемещения. Существует два типа активного транспорта: первичный активный транспорт , который использует аденозинтрифосфат (АТФ), и вторичный активный транспорт , который использует электрохимический градиент . Этот процесс отличается от пассивного транспорта , который позволяет молекулам или ионам перемещаться по градиенту концентрации из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией без энергии.
Активный транспорт необходим для различных физиологических процессов, таких как усвоение питательных веществ, секреция гормонов и передача нервных импульсов. Например, натрий-калиевый насос использует АТФ для перекачивания ионов натрия из клетки и ионов калия в клетку, поддерживая градиент концентрации, необходимый для клеточной функции. Активный транспорт является высокоизбирательным и регулируемым, с различными транспортерами, специфичными для разных молекул или ионов. Дисрегуляция активного транспорта может привести к различным расстройствам, включая кистозный фиброз, вызванный неисправностью хлоридного канала, и диабет, возникающий из-за дефектов транспорта глюкозы в клетки.
В отличие от пассивного транспорта , который использует кинетическую энергию и естественную энтропию молекул, движущихся вниз по градиенту, активный транспорт использует клеточную энергию для их перемещения против градиента, полярного отталкивания или другого сопротивления. Активный транспорт обычно связан с накоплением высоких концентраций молекул, которые нужны клетке, таких как ионы , глюкоза и аминокислоты . Примерами активного транспорта являются поглощение глюкозы в кишечнике у людей и поглощение минеральных ионов в корневые волосковые клетки растений. [1]
В 1848 году немецкий физиолог Эмиль дю Буа-Реймон предположил возможность активного транспорта веществ через мембраны. [2]
В 1926 году Деннис Роберт Хогланд исследовал способность растений поглощать соли против градиента концентрации и обнаружил зависимость поглощения и перемещения питательных веществ от метаболической энергии, используя инновационные модельные системы в контролируемых экспериментальных условиях. [3]
Розенберг (1948) сформулировал концепцию активного транспорта, основанную на энергетических соображениях [4], но позднее она была переопределена.
В 1997 году датский врач Йенс Кристиан Скоу [5] получил Нобелевскую премию по химии за исследования, касающиеся натрий-калиевого насоса [5] .
Одной из категорий котранспортеров, которая особенно заметна в исследованиях, касающихся лечения диабета [6], являются котранспортеры натрия-глюкозы. Эти транспортеры были открыты учеными Национального института здравоохранения. [7] Эти ученые заметили несоответствие в абсорбции глюкозы в разных точках почечных канальцев крысы. Затем был обнаружен ген для кишечного белка транспорта глюкозы и связан с этими мембранными системами котранспорта натрия-глюкозы. Первый из этих мембранных транспортных белков был назван SGLT1, за которым последовало открытие SGLT2 . [7] Роберт Крейн также сыграл заметную роль в этой области.
Специализированные трансмембранные белки распознают вещество и позволяют ему перемещаться через мембрану, когда в противном случае это было бы невозможно, либо потому, что фосфолипидный бислой мембраны непроницаем для перемещаемого вещества, либо потому, что вещество перемещается против направления градиента его концентрации . [8] Существует две формы активного транспорта: первичный активный транспорт и вторичный активный транспорт. При первичном активном транспорте задействованные белки являются насосами, которые обычно используют химическую энергию в форме АТФ. Однако вторичный активный транспорт использует потенциальную энергию, которая обычно получается путем использования электрохимического градиента . Энергия, создаваемая одним ионом, движущимся по своему электрохимическому градиенту, используется для питания транспорта другого иона, движущегося против его электрохимического градиента. [9] Это включает в себя порообразующие белки , которые образуют каналы через клеточную мембрану . Разница между пассивным транспортом и активным транспортом заключается в том, что активный транспорт требует энергии и перемещает вещества против их соответствующего градиента концентрации, тогда как пассивный транспорт не требует клеточной энергии и перемещает вещества в направлении их соответствующего градиента концентрации. [10]
В антипортере один субстрат транспортируется в одном направлении через мембрану, а другой котранспортируется в противоположном направлении. В симпортере два субстрата транспортируются в одном направлении через мембрану. Процессы антипорта и симпорта связаны с вторичным активным транспортом , что означает, что одно из двух веществ транспортируется против градиента своей концентрации, используя энергию, полученную от транспорта другого иона (в основном ионов Na + , K + или H + ) вниз по градиенту своей концентрации.
Если молекулы субстрата перемещаются из областей с более низкой концентрацией в области с более высокой концентрацией [11] (т. е. в противоположном направлении или против градиента концентрации), требуются определенные трансмембранные белки-переносчики. Эти белки имеют рецепторы, которые связываются с определенными молекулами (например, глюкозой ) и транспортируют их через клеточную мембрану. Поскольку для этого процесса требуется энергия, он известен как «активный» транспорт. Примерами активного транспорта являются транспорт натрия из клетки и калия в клетку с помощью натрий-калиевого насоса. Активный транспорт часто происходит во внутренней оболочке тонкого кишечника .
Растениям необходимо поглощать минеральные соли из почвы или других источников, но эти соли существуют в очень разбавленном растворе . Активный транспорт позволяет этим клеткам поглощать соли из этого разбавленного раствора против направления градиента концентрации . Например, ионы хлорида (Cl − ) и нитрата (NO 3 − ) существуют в цитозоле растительных клеток и должны транспортироваться в вакуоль. Хотя вакуоль имеет каналы для этих ионов, их транспортировка происходит против градиента концентрации, и, таким образом, движение этих ионов осуществляется водородными насосами или протонными насосами. [9]
Первичный активный транспорт, также называемый прямым активным транспортом, напрямую использует метаболическую энергию для переноса молекул через мембрану. [12] Вещества, которые транспортируются через клеточную мембрану посредством первичного активного транспорта, включают ионы металлов, такие как Na + , K + , Mg 2+ и Ca 2+ . Эти заряженные частицы требуют ионных насосов или ионных каналов для пересечения мембран и распространения по организму.
Большинство ферментов , которые выполняют этот тип транспорта, являются трансмембранными АТФазами . Первичной АТФазой, универсальной для всех животных, является натрий-калиевый насос , который помогает поддерживать потенциал клетки . Натрий-калиевый насос поддерживает мембранный потенциал, перемещая три иона Na + из клетки на каждые два [13] иона K + , перемещенных в клетку. Другими источниками энергии для первичного активного транспорта являются окислительно-восстановительная энергия и энергия фотонов ( свет ). Примером первичного активного транспорта, использующего окислительно-восстановительную энергию, является митохондриальная цепь переноса электронов , которая использует энергию восстановления НАДН для перемещения протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану против их градиента концентрации. Примером первичного активного транспорта, использующего энергию света, являются белки, участвующие в фотосинтезе , которые используют энергию фотонов для создания градиента протонов через тилакоидную мембрану , а также для создания восстановительной мощности в форме НАДФН .
Гидролиз АТФ используется для транспортировки ионов водорода против электрохимического градиента (от низкой до высокой концентрации ионов водорода). Фосфорилирование белка -носителя и связывание иона водорода вызывают конформационное (формное) изменение, которое заставляет ионы водорода транспортироваться против электрохимического градиента. Гидролиз связанной фосфатной группы и высвобождение иона водорода затем восстанавливает носитель до его первоначальной конформации. [14]
Транспортеры кассетных транспортеров, связывающих аденозинтрифосфат ( транспортеры ABC ), представляют собой большое и разнообразное семейство белков, часто функционирующих как насосы, управляемые АТФ. Обычно в общую структуру белка-транспортера вовлечено несколько доменов, включая два домена, связывающих нуклеотиды, которые составляют мотив связывания АТФ, и два гидрофобных трансмембранных домена, которые создают компонент «поры». В общих чертах, транспортеры ABC участвуют в импорте или экспорте молекул через клеточную мембрану; однако в пределах семейства белков существует широкий спектр функций. [15]
В растениях ABC-транспортеры часто встречаются в мембранах клеток и органелл, таких как митохондрии, хлоропласты и плазматические мембраны. Имеются данные, подтверждающие, что ABC-транспортеры растений играют прямую роль в реакции на патогены, транспорте фитогормонов и детоксикации. [15] Кроме того, некоторые ABC-транспортеры растений могут функционировать в активном экспорте летучих соединений [16] и антимикробных метаболитов. [17]
В цветках петунии ( Petunia hybrida ) транспортер ABC PhABCG1 участвует в активном транспорте летучих органических соединений. PhABCG1 экспрессируется в лепестках раскрытых цветов. В целом летучие соединения могут способствовать привлечению организмов, распространяющих семена, и опылителей, а также помогать в защите, сигнализации, аллелопатии и охране. Для изучения белка PhABCG1 были созданы трансгенные линии РНК-интерференции петунии с пониженными уровнями экспрессии PhABCG1 . В этих трансгенных линиях наблюдалось снижение эмиссии летучих соединений. Таким образом, PhABCG1, вероятно, участвует в экспорте летучих соединений. Последующие эксперименты включали инкубацию контрольных и трансгенных линий, которые экспрессировали PhABCG1 , для проверки транспортной активности с участием различных субстратов. В конечном итоге, PhABCG1 отвечает за опосредованный белком транспорт летучих органических соединений, таких как бензиловый спирт и метилбензоат, через плазматическую мембрану. [16]
Кроме того, в растениях транспортеры ABC могут быть вовлечены в транспорт клеточных метаболитов. Предполагается, что транспортеры ABC плейотропной лекарственной устойчивости участвуют в реакции на стресс и экспортируют антимикробные метаболиты. Одним из примеров этого типа транспортера ABC является белок NtPDR1. Этот уникальный транспортер ABC обнаружен в клетках Nicotiana tabacum BY2 и экспрессируется в присутствии микробных элиситоров. NtPDR1 локализуется в эпидермисе корня и воздушных трихомах растения. Эксперименты с использованием антител, специально нацеленных на NtPDR1, с последующим вестерн-блоттингом позволили определить локализацию. Кроме того, вероятно, что белок NtPDR1 активно транспортирует антимикробные дитерпеновые молекулы, которые токсичны для клетки в высоких концентрациях. [17]
При вторичном активном транспорте, также известном как котранспорт или сопряженный транспорт , энергия используется для транспортировки молекул через мембрану; однако, в отличие от первичного активного транспорта , прямого сопряжения АТФ нет . Вместо этого он полагается на разность электрохимических потенциалов, создаваемую закачкой ионов в/из клетки. [18] Разрешение одному иону или молекуле двигаться вниз по электрохимическому градиенту, но, возможно, против градиента концентрации, где он более сконцентрирован, к тому, где он менее сконцентрирован, увеличивает энтропию и может служить источником энергии для метаболизма (например, в АТФ-синтазе ). Энергия, полученная от перекачки протонов через клеточную мембрану, часто используется в качестве источника энергии при вторичном активном транспорте. У людей натрий (Na + ) является обычно котранспортируемым ионом через плазматическую мембрану, электрохимический градиент которого затем используется для питания активного транспорта второго иона или молекулы против его градиента. [19] У бактерий и мелких дрожжевых клеток обычно котранспортируемым ионом является водород. [19] Водородные насосы также используются для создания электрохимического градиента для осуществления процессов внутри клеток, таких как цепь переноса электронов , важная функция клеточного дыхания , которая происходит в митохондриях клетки. [20]
В августе 1960 года в Праге Роберт К. Крейн впервые представил свое открытие котранспорта натрия и глюкозы как механизма всасывания глюкозы в кишечнике. [21] Открытие Крейном котранспорта было первым предложением о сопряжении потоков в биологии. [22] [23]
Котранспортеры можно классифицировать как симпортеры и антипортеры в зависимости от того, движутся ли вещества в одном или противоположных направлениях.
В антипортере два вида ионов или других растворенных веществ перекачиваются в противоположных направлениях через мембрану. Одному из этих видов разрешено перетекать из области высокой концентрации в область низкой, что дает энтропийную энергию для перемещения другого растворенного вещества из области низкой концентрации в область высокой.
Примером является натрий-кальциевый обменник или антипортер , который позволяет трем ионам натрия в клетку транспортировать один кальций наружу. [24] Этот механизм антипортера важен в мембранах клеток сердечной мышцы для поддержания низкой концентрации кальция в цитоплазме. [9] Многие клетки также обладают кальциевыми АТФазами , которые могут работать при более низких внутриклеточных концентрациях кальция и устанавливают нормальную или покоящуюся концентрацию этого важного вторичного посредника . [25] Но АТФаза экспортирует ионы кальция медленнее: всего 30 в секунду против 2000 в секунду обменником. Обменник вступает в работу, когда концентрация кальция резко возрастает или «скачет» и обеспечивает быстрое восстановление. [26] Это показывает, что один тип иона может транспортироваться несколькими ферментами, которые не должны быть активными все время (конститутивно), но могут существовать для удовлетворения определенных, периодических потребностей.
Симпортер использует нисходящее движение одного вида растворенного вещества от высокой к низкой концентрации для перемещения другой молекулы вверх от низкой концентрации к высокой концентрации (против градиента ее концентрации ). Обе молекулы транспортируются в одном и том же направлении.
Примером является симпортер глюкозы SGLT1 , который котранспортирует одну молекулу глюкозы (или галактозы ) в клетку на каждые два иона натрия, которые он импортирует в клетку. [27] Этот симпортер находится в тонком кишечнике, [28] сердце, [29] и мозге. [30] Он также находится в сегменте S3 проксимального канальца в каждом нефроне почек . [31] Его механизм используется в терапии регидратации глюкозы . [32] Этот механизм использует всасывание сахара через стенки кишечника, чтобы втянуть воду вместе с ним. [32] Дефекты в SGLT2 препятствуют эффективному реабсорбции глюкозы, вызывая семейную почечную глюкозурию . [33]
Эндоцитоз и экзоцитоз являются формами массового транспорта , которые перемещают материалы в клетки и из них, соответственно, через везикулы . [34] В случае эндоцитоза клеточная мембрана сворачивается вокруг желаемых материалов снаружи клетки. [35] Поглощенная частица оказывается в ловушке внутри мешочка, известного как везикула, внутри цитоплазмы . Часто ферменты из лизосом затем используются для переваривания молекул, поглощенных этим процессом. Вещества, которые попадают в клетку посредством электролиза, опосредованного сигналом, включают белки, гормоны и факторы роста и стабилизации. [36] Вирусы проникают в клетки посредством формы эндоцитоза, которая включает слияние их внешней мембраны с мембраной клетки. Это заставляет вирусную ДНК проникать в клетку-хозяина. [37]
Биологи различают два основных типа эндоцитоза: пиноцитоз и фагоцитоз . [38]
Экзоцитоз включает удаление веществ посредством слияния внешней клеточной мембраны и мембраны везикулы. [41] Примером экзоцитоза может служить передача нейротрансмиттеров через синапс между клетками мозга.
Крейн
первым сформулировал концепцию котранспорта для объяснения активного транспорта [7]. В частности, он предположил, что накопление глюкозы в эпителии кишечника через мембрану щеточной каемки связано с нисходящим движением
Na
+
транспорт через щеточную границу. Эта гипотеза была быстро проверена, уточнена и расширена [чтобы] охватить активный транспорт разнообразного спектра молекул и ионов практически в каждый тип клеток.
Прозрение того времени, которое остается во всех современных учебниках, — это идея
Роберта Крейна,
первоначально опубликованная как приложение к симпозиумной статье, опубликованной в 1960 году (
Crane
et al. 1960). Ключевым моментом здесь было «сопряжение потоков», котранспорт натрия и глюкозы в апикальной мембране эпителиальной клетки тонкого кишечника. Полвека спустя эта идея превратилась в один из наиболее изученных из всех транспортных белков (SGLT1), котранспортер натрия и глюкозы.
Медиа, связанные с Активный транспорт на Wikimedia Commons