В биологии ионный транспортер — это трансмембранный белок , который перемещает ионы (или другие небольшие молекулы) через биологическую мембрану для выполнения множества различных биологических функций, включая клеточную коммуникацию, поддержание гомеостаза, выработку энергии и т. д. [1] Существуют различные типы транспортеров, включая насосы, унипортеры, антипортеры и симпортеры. Активные транспортеры или ионные насосы — это транспортеры, которые преобразуют энергию из различных источников, включая аденозинтрифосфат (АТФ), солнечный свет и другие окислительно-восстановительные реакции, в потенциальную энергию, перекачивая ион вверх по градиенту его концентрации. [2] Эта потенциальная энергия затем может использоваться вторичными транспортерами, включая переносчики ионов и ионные каналы, для управления жизненно важными клеточными процессами, такими как синтез АТФ . [3]
Эта страница в основном посвящена переносчикам ионов, действующим как насосы, но переносчики также могут функционировать для перемещения молекул посредством облегченной диффузии . Облегченная диффузия не требует АТФ и позволяет молекулам, которые не могут быстро диффундировать через мембрану ( пассивная диффузия ), диффундировать вниз по градиенту концентрации через эти белковые переносчики. [4]
Ионные транспортеры необходимы для правильного функционирования клетки, поэтому они строго регулируются клеткой и изучаются исследователями с использованием различных методов. Будут приведены некоторые примеры регуляции клеток и методов исследования.
Ионные транспортеры классифицируются как суперсемейство транспортеров , которое содержит 12 семейств транспортеров. [5] Эти семейства являются частью системы классификации транспорта (TC), которая используется Международным союзом биохимии и молекулярной биологии (IUBMB), и группируются в соответствии с такими характеристиками , как транспортируемые субстраты, механизм транспорта, используемый источник энергии, а также путем сравнения последовательностей ДНК, составляющих каждый белок. Наиболее важным объединяющим фактором является заряженная природа субстрата, которая указывает на транспорт иона, а не нейтрального вида. [5] Ионные транспортеры значительно отличаются от ионных каналов . Каналы — это поры, которые проходят через мембрану, тогда как транспортеры — это белки, которые должны менять форму, чтобы переключиться на ту сторону мембраны, к которой они открыты. Из-за этого транспортеры намного медленнее перемещают молекулы, чем каналы.
Электрохимический градиент или градиент концентрации — это разница в концентрации химической молекулы или иона в двух отдельных областях. [6] В состоянии равновесия концентрации ионов в обеих областях будут равны, поэтому, если есть разница в концентрации, ионы будут стремиться течь «вниз» по градиенту концентрации или от высокой концентрации к низкой концентрации. Ионные каналы позволяют определенным ионам, которые поместятся в канал, течь вниз по градиенту концентрации, выравнивая концентрации по обе стороны клеточной мембраны. Ионные каналы и ионные транспортеры достигают этого посредством облегченной диффузии , которая является типом пассивного транспорта . Однако только ионные транспортеры могут также выполнять активный транспорт, который включает перемещение ионов против их градиента концентрации. [7] Используя источники энергии, такие как АТФ, ионные транспортеры способны перемещать ионы против их градиента концентрации, которые затем могут использоваться вторичными транспортерами или другими белками в качестве источника энергии. [6]
Первичные транспортеры используют энергию для транспортировки ионов, таких как Na + , K + и Ca 2+ через клеточную мембрану, и могут создавать градиенты концентрации. [6] Этот транспорт может использовать АТФ в качестве источника энергии или может использоваться для генерации АТФ с помощью таких методов, как цепь переноса электронов в растениях. [7] [6]
Активные транспортеры используют АТФ для преобразования энергии АТФ в потенциальную энергию в форме градиента концентрации. Они используют АТФ для переноса иона из низкой концентрации в более высокую. Примерами белков, которые используют АТФ, являются АТФазы P-типа , которые переносят ионы Na + , K + и Ca2 + путем фосфорилирования, АТФазы A-типа, которые переносят анионы, и транспортеры ABC (транспортеры кассетного связывания АТФ), которые переносят широкий набор молекул. [6] Примерами АТФазы P-типа являются Na + /K + -АТФаза [7] [8] [9] , которая регулируется Янус-киназой-2 [10], а также АТФаза Ca2 + , которая проявляет чувствительность к концентрациям АДФ и АТФ [3] P-гликопротеин является примером белка, связывающего транспорт ABC в организме человека.
Транспортеры, производящие АТФ, работают в противоположном направлении от транспортеров, использующих АТФ. Эти белки переносят ионы из высокой в низкую концентрацию с градиентом, но в процессе образуется АТФ. Потенциальная энергия в форме градиента концентрации используется для генерации АТФ. [6] У животных этот синтез АТФ происходит в митохондриях с использованием АТФазы F-типа, также известной как АТФ-синтаза . Этот процесс использует цепь переноса электронов в процессе, называемом окислительным фосфорилированием . [11] [2] АТФаза V-типа выполняет противоположную функцию, чем АТФаза F-типа, и используется в растениях для гидролиза АТФ с целью создания протонного градиента. Примерами этого являются лизосомы, которые используют АТФазу V-типа для подкисления везикул или вакуолей растений во время процесса фотосинтеза в хлоропластах. [7] Этот процесс можно регулировать различными методами, такими как pH. [12]
Вторичные транспортеры также транспортируют ионы (или небольшие молекулы) против градиента концентрации — от низкой концентрации к высокой концентрации — но в отличие от первичных транспортеров, которые используют АТФ для создания градиента концентрации, вторичные транспортеры используют потенциальную энергию градиента концентрации, созданного первичными транспортерами, для транспортировки ионов. [6] Например, натрий-зависимый транспортер глюкозы , обнаруженный в тонком кишечнике и почках, использует градиент натрия, созданный в клетке натрий-калиевым насосом (как упоминалось выше), чтобы помочь переносить глюкозу в клетку. [13] Это происходит, когда натрий течет вниз по своему градиенту концентрации, что обеспечивает достаточно энергии, чтобы подтолкнуть глюкозу вверх по своему градиенту концентрации обратно в клетку. Это важно в тонком кишечнике и почках, чтобы предотвратить потерю ими глюкозы. Симпортеры , такие как симпортер натрия-глюкозы, транспортируют ион с его градиентом концентрации, и они связывают транспорт второй молекулы в том же направлении. Антипортеры также используют градиент концентрации одной молекулы, чтобы переместить другую вверх по ее градиенту концентрации, но связанная молекула транспортируется в противоположном направлении. [6]
Ионные транспортеры могут регулироваться различными способами, такими как фосфорилирование, аллостерическое ингибирование или активация, а также чувствительность к концентрации ионов. Использование протеинкиназ для добавления фосфатной группы или фосфатаз для дефосфорилирования белка может изменить активность транспортера. [14] Активируется или ингибируется белок при добавлении фосфатной группы, зависит от конкретного белка. При аллостерическом ингибировании регуляторный лиганд может связываться с регуляторным сайтом и либо ингибировать, либо активировать транспортер. Ионные транспортеры также могут регулироваться концентрацией иона (не обязательно иона, который он переносит) в растворе. Например, цепь переноса электронов регулируется присутствием ионов H + (pH) в растворе. [6]
Зажим пэтч-метода — это электрофизиологический метод, используемый для изучения каналов и транспортеров в клетках путем отслеживания тока, проходящего через них. Этот метод был усовершенствован Ходжкиным и Хаксли до того, как существование каналов и транспортеров стало известно. [11] [15] Помимо своей новаторской работы на раннем этапе, метод зажима пэтч-метода продолжает использоваться и широко используется исследователями для изучения ионных транспортеров и того, как окружающая среда и лиганды влияют на функцию транспортера. [1] [16]
Рентгеновская кристаллография — невероятный инструмент, позволяющий визуализировать структуру белков, однако это всего лишь моментальный снимок одной конформации белка. Структура транспортных белков позволяет исследователям лучше понять, как и что делает транспортер для перемещения молекул через мембрану. [17] [18]
Восстановление флуоресценции после фотообесцвечивания (FRAP) — это метод, используемый для отслеживания диффузии липидов или белков в мембране. Этот метод используется для лучшего понимания подвижности транспортеров в клетке и их взаимодействия с липидными доменами и липидными плотами в клеточной мембране.
Резонансный перенос энергии Фёрстера (FRET) — это метод, который использует флуоресценцию для отслеживания того, насколько близко два белка находятся друг к другу. Это использовалось при изучении транспортеров, чтобы увидеть, как они взаимодействуют с другими клеточными белками. [1]
