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 достижения этого движения. Существует два типа активного транспорта: первично активный транспорт , использующий аденозинтрифосфат (АТФ), и вторичный активный транспорт , использующий электрохимический градиент . Этот процесс отличается от пассивного транспорта , который позволяет молекулам или ионам перемещаться по градиенту концентрации из области высокой концентрации в область низкой концентрации без энергии.
Активный транспорт необходим для различных физиологических процессов, таких как поглощение питательных веществ, секреция гормонов и передача нервных импульсов. Например, натриево-калиевый насос использует АТФ для перекачки ионов натрия из клетки и ионов калия в клетку, поддерживая градиент концентрации, необходимый для клеточного функционирования. Активный транспорт является высокоселективным и регулируемым: разные транспортеры специфичны для разных молекул или ионов. Нарушение регуляции активного транспорта может привести к различным заболеваниям, включая муковисцидоз, вызванный нарушением работы хлоридных каналов, и диабет, возникающий в результате 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 перемещения их против градиента, полярного отталкивания или другого сопротивления. Активный транспорт обычно связан с накоплением высоких концентраций молекул, необходимых клетке, таких как ионы , глюкоза и аминокислоты . Примеры активного транспорта включают поглощение глюкозы в кишечнике человека и поглощение минеральных ионов клетками корневых волосков растений. [1]
В 1848 году немецкий физиолог Эмиль дю Буа-Реймон предположил возможность активного транспорта веществ через мембраны. [2]
В 1926 году Деннис Роберт Хоугланд исследовал способность растений поглощать соли в условиях 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, исходя из энергетических соображений, [4] , но позже она была пересмотрена.
В 1997 году датский врач Йенс Кристиан Скоу [5] получил Нобелевскую премию по химии за исследования натрий-калиевого насоса . [5]
Одной из категорий котранспортеров, которая особенно выделяется в исследованиях по лечению диабета [6], являются котранспортеры натрия и глюкозы. Эти транспортеры были обнаружены учеными Национального института здравоохранения. [7] Эти ученые заметили несоответствие в поглощении глюкозы в разных точках почечных канальцев крысы. Затем был обнаружен ген кишечного белка-транспортера глюкозы и связан с этими мембранными системами котранспорта глюкозы натрия. Первый из этих мембранных транспортных белков был назван SGLT1 , после чего был открыт SGLT2 . [7] Роберт Крейн также сыграл заметную роль в этой области.
Специализированные трансмембранные белки распознают вещество и позволяют ему перемещаться через мембрану, хотя 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: первично-активный транспорт и вторично-активный транспорт. В первично-активном транспорте задействованные белки представляют собой насосы, которые обычно используют химическую энергию в форме АТФ. Однако вторичный активный транспорт использует потенциальную энергию, которая обычно получается за счет использования электрохимического градиента . Энергия, создаваемая движением одного иона вниз по своему электрохимическому градиенту, используется для обеспечения транспорта другого иона, движущегося против его электрохимического градиента. [9] Это связано с порообразующими белками , 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 соответствующего градиента их концентрации, тогда как пассивный транспорт не требует клеточной энергии и перемещает вещества в направлении соответствующего градиента их концентрации. [10]
В антипортере один субстрат транспортируется через мембрану в одном направлении, а другой котранспортируется в противоположном направлении. В симпортере два субстрата транспортируются через мембрану в одном направлении. Процессы антипорта и симпорта связаны со вторичным активным транспортом , что означает, что одно из двух веществ транспортируется против градиента его концентрации, используя энергию, полученную в результате транспорта другого иона (в основном ионов Na + , K + или H + ) вниз его концентрации. градиент.
Если молекулы субстрата движутся из областей с более низкой концентрацией в области с более высокой концентрацией [11] (т.е. в направлении, противоположном градиенту концентрации или против него), необходимы специфические трансмембранные белки-переносчики. Эти белки имеют рецепторы, которые связываются со специфическими молекулами (например, глюкозой ) и транспортируют их через клеточную мембрану. Поскольку для этого процесса требуется энергия, он известен как «активный» транспорт. Примеры активного транспорта включают транспортировку натрия из клетки и калия в клетку с помощью натрий-калиевого насоса. Активный транспорт часто происходит во внутренней оболочке тонкой кишки .
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 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 в вакуоли есть каналы для этих ионов, их транспортировка происходит против градиента концентрации, и, таким образом, движение этих ионов приводится в движение водородными или протонными насосами. [9]
Первично-активный транспорт, также называемый прямым активным транспортом, напрямую использует метаболическую энергию для транспортировки молекул через мембрану. [12] Вещества, которые переносятся через клеточную мембрану посредством первично-активного транспорта, включают ионы металлов, таких как Na + , K + , Mg 2+ и Ca 2+ . Этим заряженным частицам требуются ионные насосы или ионные каналы , чтобы пересечь мембраны и распространиться по организму.
Большинство ферментов , осуществляющих этот вид транспорта, являются трансмембранными АТФазами . Первичной АТФазой, универсальной для всех животных, является натриево-калиевый насос , который помогает поддерживать клеточный потенциал . Натрий-калиевый насос поддерживает мембранный потенциал, перемещая три иона Na + из клетки на каждые два [13] иона K + , попавшие в клетку. Другими источниками энергии для первичного активного транспорта являются окислительно-восстановительная энергия и энергия фотонов ( свет ). Примером первичного активного транспорта с использованием окислительно-восстановительной энергии является митохондриальная цепь транспорта электронов , которая использует энергию восстановления НАДН для перемещения протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану против градиента их концентрации. Примером первичного активного транспорта с использованием энергии света являются белки, участвующие в фотосинтезе , которые используют энергию фотонов для создания градиента протонов через тилакоидную мембрану , а также для создания восстановительной способности в форме НАДФН .
Гидролиз АТФ используется для транспортировки ионов водорода против электрохимического градиента (от низкой концентрации ионов водорода к высокой). Фосфорилирование белка -носителя и связывание иона водорода вызывают конформационное изменение (форму), которое заставляет ионы водорода транспортироваться против электрохимического градиента. Гидролиз связанной фосфатной группы и высвобождение иона водорода затем восстанавливают носитель до его исходной конформации. [14]
Кассетные транспортеры, связывающие аденозинтрифосфат ( транспортеры ABC ), представляют собой большое и разнообразное семейство белков, часто функционирующих как АТФ-управляемые насосы. Обычно в общую структуру белка-переносчика вовлечено несколько доменов, в том числе два нуклеотидсвязывающих домена, которые составляют АТФ-связывающий мотив, и два гидрофобных трансмембранных домена, которые создают «поровый» компонент. В широком смысле транспортеры ABC участвуют в импорте или экспорте молекул через клеточную мембрану; тем не менее, внутри семейства белков существует широкий спектр функций. [15]
У растений транспортеры ABC часто обнаруживаются в мембранах клеток и органелл, таких как митохондрии, хлоропласты и плазматические мембраны. Имеются данные, подтверждающие, что растительные переносчики ABC играют прямую роль в реакции на патогены, транспорте фитогормонов и детоксикации. [15] Кроме того, некоторые растительные переносчики ABC могут активно экспортировать летучие соединения [16] и противомикробные метаболиты. [17]
В цветках петунии ( Petunia Hybrida ) ABC-транспортер PhABCG1 участвует в активном транспорте летучих органических соединений. PhABCG1 экспрессируется в лепестках раскрытых цветков. В целом летучие соединения могут способствовать привлечению организмов, распространяющих семена, и опылителей, а также способствовать защите, передаче сигналов, аллелопатии и защите. Для изучения белка PhABCG1 были созданы трансгенные РНК-интерференционные линии петунии со сниженным уровнем экспрессии PhABCG1 . У этих трансгенных линий наблюдалось снижение эмиссии летучих соединений. Таким образом, PhABCG1, вероятно, участвует в экспорте летучих соединений. Последующие эксперименты включали инкубацию контрольных и трансгенных линий, экспрессирующих PhABCG1, для проверки транспортной активности с участием различных субстратов. В конечном итоге PhABCG1 отвечает за белок-опосредованный транспорт летучих органических соединений, таких как бензиловый спирт и метилбензоат, через плазматическую мембрану. [16]
Кроме того, у растений транспортеры ABC могут участвовать в транспорте клеточных метаболитов. Предполагается, что переносчики плейотропной лекарственной устойчивости ABC участвуют в реакции на стресс и экспортируют противомикробные метаболиты. Одним из примеров транспортера ABC этого типа является белок NtPDR1. Этот уникальный транспортер ABC обнаружен в клетках Nicotiana tabacum BY2 и экспрессируется в присутствии микробных элиситоров. NtPDR1 локализуется в корневом эпидермисе и надземных трихомах растения. Эксперименты с использованием антител, специфически нацеленных на NtPDR1, с последующим вестерн-блоттингом позволили определить локализацию. Более того, вполне вероятно, что белок NtPDR1 активно транспортирует антимикробные молекулы дитерпена, которые в высоких концентрациях токсичны для клетки. [17]
При вторичном активном транспорте, также известном как котранспорт или спаренный транспорт , энергия используется для транспортировки молекул через мембрану; однако, в отличие от первично-активного транспорта , прямого связывания АТФ не происходит . Вместо этого он полагается на разность электрохимических потенциалов , создаваемую закачкой ионов в клетку или из нее. [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 синтаза ). Энергия, получаемая при перекачке 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 обеспечения активного транспорта второго иона или молекулы против его градиента. [19] В бактериях и небольших дрожжевых клетках 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 кишечной абсорбции глюкозы. [21] Открытие Крейном котранспорта было первым предложением о взаимодействии потоков в биологии. [22] [23]
Котранспортеры можно разделить на 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 через мембрану в противоположных направлениях. Одному из этих веществ разрешено течь от высокой концентрации к низкой, что дает энтропийную энергию , необходимую для транспорта другого растворенного вещества из области с низкой концентрацией в область с высокой.
Примером может служить натрий-кальциевый обменник или антипортер , который позволяет трем ионам натрия проникать в клетку и транспортировать один кальций наружу. [24] Этот антипортерный механизм важен в мембранах клеток сердечной мышцы, чтобы поддерживать низкую концентрацию 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 мессенджера . [25] Но АТФаза экспортирует ионы кальция медленнее: всего 30 в секунду против 2000 в секунду у обменника. 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 обязательно должны быть активными постоянно (конститутивно), но могут существовать для удовлетворения конкретных, периодических потребностей.
Симпортер использует движение вниз одного вида растворенного вещества от высокой концентрации к низкой, чтобы переместить другую молекулу вверх от низкой концентрации к высокой концентрации (против градиента концентрации ). Обе молекулы транспортируются в одном направлении.
Примером является симпортер глюкозы SGLT1 , который совместно транспортирует одну молекулу глюкозы (или галактозы ) в клетку на каждые два иона натрия, которые он импортирует в клетку. [27] Этот симпортер расположен в тонком кишечнике, [28] сердце, [29] и головном мозге. [30] Он также расположен в сегменте S3 проксимальных канальцев каждого нефрона почек . [31] Его механизм используется в регидратационной терапии глюкозой. [32] Этот механизм использует всасывание сахара через стенки кишечника, чтобы втягивать воду вместе с ним. [32] Дефекты SGLT2 препятствуют эффективной реабсорбции глюкозы, вызывая семейную почечную глюкозурию . [33]
Эндоцитоз и экзоцитоз являются формами объемного транспорта , которые перемещают материалы в клетки и из клеток соответственно через везикулы . [34] В случае эндоцитоза клеточная мембрана складывается вокруг нужных материалов вне клетки. [35] Проглоченная частица попадает в мешочек, известный как везикула, внутри цитоплазмы . Часто ферменты лизосом затем используются для переваривания молекул, поглощенных этим процессом. Вещества, которые попадают в клетку посредством сигнально-опосредованного электролиза, включают белки, гормоны, а также факторы роста и стабилизации. [36] Вирусы проникают в клетки посредством эндоцитоза, при котором их внешняя мембрана сливается с мембраной клетки. Это заставляет вирусную ДНК проникать в клетку-хозяина. [37]
Биологи выделяют два основных типа эндоцитоза: пиноцитоз и фагоцитоз . [38]
Экзоцитоз включает удаление веществ путем слияния внешней клеточной мембраны и мембраны пузырька. [41] Примером экзоцитоза может быть передача нейротрансмиттеров через синапс между клетками головного мозга.
Крейн
в 1961 году был первым, кто 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 потоком
Na.
+
транспорт пересекает кустарниковую границу. Эта гипотеза была быстро проверена, уточнена и расширена, [чтобы] охватить активный транспорт разнообразного спектра молекул и ионов практически в каждый тип клеток.
Идея того времени, которая осталась во всех современных учебниках, - это идея
Роберта Крейна
, первоначально опубликованная как приложение к докладу на симпозиуме, опубликованному в 1960 году (
Crane
et al. 1960).
Ключевым моментом здесь было «сочетание потоков», совместный транспорт натрия и глюкозы в апикальной мембране эпителиальных клеток тонкой кишки.
Полвека спустя эта идея превратилась в один из наиболее изученных белков-транспортеров (SGLT1) — котранспортер натрия и глюкозы.