Мембранный транспортный белок (или просто транспортер ) — это мембранный белок [1] , участвующий в перемещении ионов , малых молекул и макромолекул , таких как другой белок , через биологическую мембрану . Транспортные белки — интегральные трансмембранные белки ; то есть они постоянно существуют внутри мембраны, через которую переносят вещества, и охватывают ее. Белки могут способствовать перемещению веществ путем облегченной диффузии , активного транспорта , осмоса или обратной диффузии . Два основных типа белков, участвующих в таком транспорте, в общих чертах подразделяются на каналы или носители . Примеры белков-каналов/переносчиков включают унипортер GLUT 1 , натриевые каналы и калиевые каналы . Растворенные переносчики и атипичные SLC [2] являются вторичными активными или вспомогательными переносчиками у человека. [3] [4] В совокупности мембранные транспортеры и каналы известны как транспортом. [5] Транспортомы регулируют клеточный приток и отток не только ионов и питательных веществ, но и лекарств.
Носитель не открыт одновременно как для внеклеточной, так и для внутриклеточной среды . Либо его внутренние ворота открыты, либо открыты внешние ворота. Напротив, канал может быть открыт для обеих сред одновременно, позволяя молекулам беспрепятственно диффундировать. У носителей есть сайты связывания, а у пор и каналов — нет. [6] [7] [8] Когда канал открыт, миллионы ионов могут проходить через мембрану в секунду, но обычно только от 100 до 1000 молекул обычно проходят через молекулу-носитель за то же время. [9] Каждый белок-носитель предназначен для распознавания только одного вещества или одной группы очень похожих веществ. Исследования выявили корреляцию дефектов конкретных белков-носителей с конкретными заболеваниями. [10]
Активный транспорт – это перемещение вещества через мембрану против градиента его концентрации. Обычно это происходит для накопления высоких концентраций молекул, необходимых клетке, таких как глюкоза или аминокислоты. Если в процессе используется химическая энергия, такая как аденозинтрифосфат (АТФ), это называется первично-активным транспортом . Мембранные транспортные белки, действие которых осуществляется непосредственно за счет гидролиза АТФ, называются АТФазными насосами. [11] Эти типы насосов непосредственно перекачивают экзергонический гидролиз АТФ, вызывая неблагоприятное движение молекул против градиента их концентрации. Примеры АТФазных насосов включают АТФазы P-типа , АТФазы V-типа , АТФазы F-типа и кассеты, связывающие ABC . [ нужна цитата ]
Вторичный активный транспорт предполагает использование электрохимического градиента и не использует энергию, вырабатываемую в клетке. [12] Вторичный активный транспорт обычно использует типы белков-переносчиков, обычно симпортеры и антипортеры . Белки-симпортеры связывают транспорт одной молекулы вниз по градиенту концентрации с транспортом другой молекулы против градиента концентрации, и обе молекулы диффундируют в одном направлении . Белки-антипортеры транспортируют одну молекулу вниз по градиенту концентрации, чтобы транспортировать другую молекулу против ее градиента концентрации, но молекулы диффундируют в противоположных направлениях . Поскольку симпортеры и антипортеры участвуют в объединении транспорта двух молекул, их обычно называют котранспортерами . В отличие от белков-каналов, которые только пассивно переносят вещества через мембраны, белки-переносчики могут транспортировать ионы и молекулы либо пассивно посредством облегченной диффузии, либо посредством вторично-активного транспорта. [13] Белок-носитель необходим для перемещения частиц из областей с низкой концентрацией в области с высокой концентрацией. Эти белки-переносчики имеют рецепторы, которые связываются с конкретной молекулой (субстратом), нуждающейся в транспорте. Молекула или ион, подлежащие транспортировке (субстрат), должны сначала связаться с сайтом связывания молекулы-носителя с определенной аффинностью связывания. После связывания, пока сайт связывания обращен в ту же сторону, носитель захватывает или закупоривает (поглощает и удерживает) субстрат внутри своей молекулярной структуры и вызывает внутреннюю транслокацию, так что отверстие в белке теперь обращено к другой стороне плазматическая мембрана. [14] Субстрат белка-носителя высвобождается в этом сайте в соответствии с его аффинностью связывания. [ нужна цитата ]
Облегченная диффузия — это прохождение молекул или ионов через биологическую мембрану через определенные транспортные белки, не требующее затрат энергии. Облегченная диффузия используется особенно в случае крупных полярных молекул и заряженных ионов; как только такие ионы растворяются в воде, они не могут свободно диффундировать через клеточные мембраны из-за гидрофобной природы жирнокислотных хвостов фосфолипидов, составляющих бислои. Тип белков-переносчиков, используемых при облегченной диффузии, немного отличается от тех, которые используются при активном транспорте. Они по-прежнему являются трансмембранными белками-переносчиками, но представляют собой закрытые трансмембранные каналы, то есть они не перемещаются внутри и не требуют АТФ для функционирования. Субстрат захватывается с одной стороны закрытого носителя и без использования АТФ высвобождается в клетку. Облегченная диффузия не требует использования АТФ, поскольку облегченная диффузия, как и простая диффузия, переносит молекулы или ионы по градиенту их концентрации. [15]
Осмос – это пассивная диффузия воды через клеточную мембрану из области высокой концентрации в область низкой концентрации. Поскольку осмос является пассивным процессом, подобно облегченной диффузии и простой диффузии, он не требует использования АТФ. Осмос важен для регулирования баланса воды и соли внутри клеток, поэтому он играет решающую роль в поддержании гомеостаза. [16] Аквапорины представляют собой интегральные мембранные белки, которые обеспечивают быстрое прохождение воды и глицерина через мембраны. Мономеры аквапоринов состоят из шести трансмембранных доменов альфа-спиралей, и эти мономеры могут собираться с образованием белков аквапоринов. Поскольку четыре из этих мономеров собираются вместе, образуя белок аквапорин, он известен как гомотетрамер , то есть состоит из четырех идентичных субъединиц. [17] [18] Все аквапорины представляют собой тетрамерные мембранные интегральные белки, и вода проходит через каждый отдельный мономерный канал, а не между всеми четырьмя каналами. Поскольку аквапорины представляют собой трансмембранные каналы для диффузии воды, каналы, из которых состоит аквапорин, обычно имеют гидрофильные боковые цепи, пропускающие воду.
Обратный транспорт , или обращение транспортера , представляет собой явление, при котором субстраты белка мембранного транспорта перемещаются в направлении, противоположном направлению их типичного движения транспортером. [19] [20] [21] [22] [23] Реверсирование транспортера обычно происходит, когда мембранный транспортный белок фосфорилируется определенной протеинкиназой , которая представляет собой фермент , добавляющий фосфатную группу к белкам. [19] [20]
(Сгруппировано по категориям базы данных классификации транспортеров )
Облегченная диффузия происходит в клеточную мембрану и из нее через каналы/поры и носители/портеры.
Примечание:
Каналы находятся либо в открытом, либо в закрытом состоянии. Когда канал открывается с помощью небольшого конформационного переключения, он открыт одновременно для обеих сред (внеклеточной и внутриклеточной).
Поры постоянно открыты для обеих этих сред, поскольку не претерпевают конформационных изменений. Они всегда открыты и активны.
Также называются белками-носителями или вторичными носителями.
Групповые транслокаторы обеспечивают особый механизм фосфорилирования сахаров при их транспортировке в бактерии (групповая транслокация PEP).
Трансмембранные переносчики электронов в мембране включают двухэлектронные переносчики, такие как оксидоредуктазы дисульфидной связи (DsbB и DsbD в E. coli), а также одноэлектронные переносчики, такие как НАДФН-оксидаза. Часто эти окислительно-восстановительные белки не считаются транспортными белками.
Каждый белок-носитель, особенно внутри одной и той же клеточной мембраны, специфичен для одного типа или семейства молекул. GLUT1 — это названный белок-носитель, обнаруженный почти во всех мембранах клеток животных, который транспортирует глюкозу через бислой. Этот белок является унипортером , то есть он транспортирует глюкозу в зависимости от ее концентрации в единственном направлении. Это интегральный мембранный белковый носитель с гидрофильной внутренней частью, которая позволяет ему связываться с глюкозой. Поскольку GLUT 1 является типом белка-носителя, он претерпевает конформационные изменения, позволяющие глюкозе проникать на другую сторону плазматической мембраны. [24] GLUT 1 обычно встречается в мембранах эритроцитов млекопитающих. [25]
Хотя в человеческом организме существует множество примеров каналов, наиболее заметными из них являются натриевые и калиевые каналы. Калиевые каналы обычно участвуют в транспортировке ионов калия через клеточную мембрану наружу клетки, что помогает поддерживать отрицательный мембранный потенциал клеток. Поскольку калиевых каналов больше, чем натриевых, из клетки вытекает больше калия, чем натрия, поэтому мембранный потенциал отрицательный. Натриевые каналы обычно участвуют в транспортировке ионов натрия через клеточную мембрану в клетку. Эти каналы обычно связаны с возбудимыми нейронами, поскольку приток натрия может вызвать деполяризацию, которая, в свою очередь, распространяет потенциал действия. [26] Поскольку эти белки относятся к типам канальных белков, они не претерпевают изменения конформации после связывания с соответствующими субстратами.
Другие специфические белки-переносчики также важным образом помогают организму функционировать. Цитохромы действуют в цепи переноса электронов как белки-переносчики электронов. [12]
Ряд наследственных заболеваний связан с дефектами белков-переносчиков в определенном веществе или группе клеток. Цистеинурия (цистеин в моче и мочевом пузыре) – это такое заболевание, при котором возникают дефектные белки-переносчики цистеина в мембранах клеток почек. Эта транспортная система обычно удаляет цистеин из жидкости, предназначенной для превращения в мочу, и возвращает эту незаменимую аминокислоту в кровь. Когда этот носитель выходит из строя, большие количества цистеина остаются в моче, где он относительно нерастворим и имеет тенденцию выпадать в осадок. Это одна из причин образования мочевых камней. [27] Было показано, что некоторые белки-переносчики витаминов сверхэкспрессируются у пациентов со злокачественными заболеваниями. Например, было показано, что уровни белка-носителя рибофлавина (RCP) значительно повышены у людей с раком молочной железы . [28]
Андерле П., Барбачору К., Бусси К., Дай З., Хуанг Ю., Папп А., Рейнхольд В., Сади В., Шанкаварам У. и Вайнштейн Дж. (2004). Мембранные транспортеры и каналы: роль транспортома в химиочувствительности и химиорезистентности рака. Исследования рака, 54, 4294-4301.
