Унипортеры, также известные как переносчики растворенных веществ или облегченные транспортеры , представляют собой тип мембранного транспортного белка , который пассивно переносит растворенные вещества (малые молекулы, ионы или другие вещества) через клеточную мембрану. [1] Он использует облегченную диффузию для перемещения растворенных веществ по градиенту их концентрации из области высокой концентрации в область низкой концентрации. [2] В отличие от активного транспорта , для его функционирования не требуется энергия в форме АТФ . Унипортеры специализированы для переноса одного определенного иона или молекулы и могут быть отнесены либо к категории каналов, либо к категории переносчиков. [3] Облегченная диффузия может происходить посредством трех механизмов: унипорт, симпорт или антипорт. Разница между каждым механизмом зависит от направления транспорта, в котором унипорт является единственным транспортом, не связанным с транспортом другого растворенного вещества. [4]
Белки-переносчики унипортера работают, связываясь с одной молекулой или субстратом за раз. Каналы унипортера открываются в ответ на стимул и обеспечивают свободный поток определенных молекул. [2]
Существует несколько способов регулирования открытия каналов унипортера:
Унипортеры находятся в митохондриях , плазматических мембранах и нейронах . Унипортер в митохондриях отвечает за поглощение кальция . [1] Кальциевые каналы используются для передачи сигналов клеткам и запуска апоптоза . Унипортер кальция переносит кальций через внутреннюю митохондриальную мембрану и активируется, когда концентрация кальция превышает определенную величину. [5] Транспортеры аминокислот функционируют в транспорте нейтральных аминокислот для производства нейротрансмиттеров в клетках мозга. [6] Потенциалзависимые калиевые каналы также являются унипортерами, обнаруженными в нейронах, и необходимы для потенциалов действия . [7] Этот канал активируется градиентом напряжения, создаваемым натрий-калиевыми насосами . Когда мембрана достигает определенного напряжения, каналы открываются, что деполяризует мембрану, что приводит к отправке потенциала действия вниз по мембране. [8] Транспортеры глюкозы находятся в плазматической мембране и играют роль в транспортировке глюкозы . Они помогают переносить глюкозу из крови или внеклеточного пространства в клетки, где она обычно используется в метаболических процессах для выработки энергии. [9]
Унипортеры необходимы для определенных физиологических процессов в клетках, таких как усвоение питательных веществ, удаление отходов и поддержание ионного баланса.
Ранние исследования осмоса и диффузии в 19 и 20 веках заложили основу для понимания пассивного движения молекул через клеточные мембраны. [10]
В 1855 году физиолог Адольф Фик первым определил осмос и простую диффузию как тенденцию растворенных веществ перемещаться из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией, также очень известную как законы диффузии Фика . [11] Благодаря работам Чарльза Овертона в 1890-х годах концепция полупроницаемости биологической мембраны стала важной для понимания регуляции веществ в клетках и из них. [11] Открытие облегченной диффузии Виттенбергом и Шоландером показало, что белки в клеточной мембране помогают в транспорте молекул. [12] В 1960-х - 1970-х годах исследования по транспорту глюкозы и других питательных веществ выявили специфичность и селективность мембранных транспортных белков . [13]
Технологические достижения в области биохимии помогли выделить и охарактеризовать эти белки из клеточных мембран. Генетические исследования бактерий и дрожжей выявили гены, ответственные за кодирование транспортеров. Это привело к открытию транспортеров глюкозы (белков GLUT), причем первым был охарактеризован GLUT1 . [14] Идентификация семейств генов, кодирующих различные транспортеры, такие как семейства переносчиков растворенных веществ (SLC) , также продвинула знания об унипортерах и их функциях. [14]
Новые исследования сосредоточены на методах, использующих технологию рекомбинантной ДНК , электрофизиологию и передовую визуализацию для понимания функций унипортера. Эти эксперименты предназначены для клонирования и экспрессии генов-транспортеров в клетках-хозяевах для дальнейшего анализа трехмерной структуры унипортеров, а также для непосредственного наблюдения за движением ионов через белки в режиме реального времени. [14] Открытие мутаций в унипортерах было связано с такими заболеваниями, как синдром дефицита GLUT1 , муковисцидоз , болезнь Хартнупа , первичная гипероксалурия и гипокалиемический периодический паралич . [15]
Транспортер глюкозы (GLUT) — это тип унипортера, отвечающего за облегченную диффузию молекул глюкозы через клеточные мембраны. [9] Глюкоза является жизненно важным источником энергии для большинства живых клеток, однако из-за своего большого размера она не может свободно перемещаться через клеточную мембрану. [16] Транспортер глюкозы специализируется на транспортировке глюкозы именно через мембрану. Белки GLUT имеют несколько типов изоформ , каждая из которых распределена в разных тканях и проявляет разные кинетические свойства. [16]
GLUT — это интегральные мембранные белки, состоящие из 12 α-спиральных мембранных областей . [16] Белки GLUT кодируются генами SLC2 и подразделяются на три класса на основе сходства аминокислотной последовательности . [17] Было обнаружено, что у людей экспрессируется четырнадцать белков GLUT. Класс I GLUT включает GLUT1 , одну из наиболее изученных изоформ, и GLUT2 . [16] GLUT1 обнаруживается в различных тканях, таких как эритроциты , мозг и гематоэнцефалический барьер , и отвечает за базальное усвоение глюкозы . [16] GLUT2 преимущественно обнаруживается в печени , поджелудочной железе и тонком кишечнике . [16] Он играет важную роль в секреции инсулина бета-клетками поджелудочной железы . Класс II включает GLUT3 и GLUT4 . [16] GLUT3, в основном обнаруженный в мозге, нейронах и плаценте , имеет высокое сродство к глюкозе, способствуя поглощению глюкозы нейронами. [16] GLUT4 играет роль в регулируемом инсулином поглощении глюкозы и в основном обнаружен в чувствительных к инсулину тканях, таких как мышечная и жировая ткань . [16] Класс III включает GLUT5 , обнаруженный в тонком кишечнике , почках , яичках и скелетных мышцах . [16] В отличие от других GLUT, GLUT5 специфически транспортирует фруктозу , а не глюкозу. [16]
Транспортеры глюкозы позволяют молекулам глюкозы перемещаться по градиенту концентрации из областей с высокой концентрацией глюкозы в области с низкой концентрацией. Этот процесс часто включает в себя перенос глюкозы из внеклеточного пространства или крови в клетку. Градиент концентрации, создаваемый концентрацией глюкозы, подпитывает процесс без необходимости использования АТФ. [18]
Когда глюкоза связывается с переносчиком глюкозы, белковые каналы меняют форму и претерпевают конформационные изменения для транспортировки глюкозы через мембрану. После того, как глюкоза отсоединяется, белок возвращается к своей первоначальной форме. Переносчик глюкозы необходим для осуществления физиологических процессов, требующих высоких энергетических потребностей в мозге, мышцах и почках, обеспечивая достаточное количество энергетического субстрата для метаболизма . Диабет , пример состояния, которое включает метаболизм глюкозы, подчеркивает важность регуляции усвоения глюкозы в лечении заболеваний. [19]
Митохондриальный унипортер кальция (MCU) представляет собой белковый комплекс, расположенный во внутреннем матриксе митохондрий, который функционирует для захвата ионов кальция (Ca2+) в матрикс из цитоплазмы . [20] Транспорт ионов кальция используется в частности в клеточной функции для регулирования выработки энергии в митохондриях, цитозольной кальциевой сигнализации и гибели клеток . Унипортер активируется, когда цитоплазматические уровни кальция поднимаются выше 1 мкМ. [20]
Комплекс MCU состоит из 4 частей: субъединиц, формирующих порт, регуляторных субъединиц MICU1 и MICU2 и вспомогательной субъединицы EMRE. [21] Эти субъединицы работают вместе, чтобы регулировать поглощение кальция в митохондриях. В частности, субъединица EMRE функционирует для транспорта кальция, а субъединица MICU функционирует в жесткой регуляции активности MCU для предотвращения перегрузки концентраций кальция в цитоплазме. [21] Кальций имеет основополагающее значение для сигнальных путей в клетках, а также для путей гибели клеток. [21] Функция митохондриального унипортера имеет решающее значение для поддержания клеточного гомеостаза .
Субъединицы MICU1 и MICU2 представляют собой гетеродимер , соединенный дисульфидным мостиком . [20] При высоком уровне цитоплазматического кальция гетеродимер MICU1-MICU2 претерпевает конформационное изменение . [20] Субъединицы гетеродимера имеют кооперативную активацию, что означает, что связывание Ca 2+ с одной субъединицей MICU в гетеродимере вызывает конформационное изменение в других субъединицах MICU. Поглощение кальция уравновешивается обменником натрия и кальция . [21]
Транспортер аминокислот L-типа (LAT1) является унипортером, который опосредует транспорт нейтральных аминокислот, таких как L-триптофан , лейцин , гистидин , пролин , аланин и т. д. [6] LAT1 способствует транспорту аминокислот с большими разветвленными или ароматическими боковыми цепями . Транспортер аминокислот функционирует для перемещения незаменимых аминокислот в эпителий кишечника , плаценту и гематоэнцефалический барьер для клеточных процессов, таких как метаболизм и клеточная сигнализация. [22] Транспортер имеет особое значение в центральной нервной системе , поскольку он обеспечивает необходимые аминокислоты для синтеза белка и производства нейротрансмиттеров в клетках мозга. [22] Ароматические аминокислоты , такие как фенилаланин и триптофан, являются предшественниками нейротрансмиттеров, таких как дофамин , серотонин и норадреналин . [22]
LAT1 — это мембранный белок семейства транспортеров SLC7 , который работает совместно с членом семейства SLC3 4F2hc, образуя гетеродимерный комплекс, известный как комплекс 4F2hc. [6] Гетеродимер состоит из легкой цепи и тяжелой цепи, ковалентно связанных дисульфидной связью . Легкая цепь осуществляет транспорт, в то время как тяжелая цепь необходима для стабилизации димера. [6]
Существуют некоторые разногласия относительно того, является ли LAT1 унипортером или антипортером . Транспортер обладает унипортными характеристиками, транспортируя аминокислоты в клетки однонаправленным образом по градиенту концентрации. Однако недавно было обнаружено, что транспортер обладает антипортными характеристиками, обменивая нейтральные аминокислоты на обильные внутриклеточные аминокислоты. [23] Повышенная экспрессия LAT1 была обнаружена при раке человека и связана с его ролью в метаболизме рака. [24]
Транспортеры нуклеозидов , или уравновешивающие транспортеры нуклеозидов , являются унипортерами, которые транспортируют нуклеозиды , нуклеиновые основания и терапевтические препараты через клеточную мембрану. [25] Нуклеозиды служат строительными блоками для синтеза нуклеиновых кислот и являются ключевыми компонентами энергетического метаболизма при создании АТФ / ГТФ . [26] Они также действуют как лиганды для пуринергических рецепторов, таких как аденозин и инозин . ENT позволяют транспортировать нуклеозиды по градиенту их концентрации. Они также обладают способностью доставлять аналоги нуклеозидов к внутриклеточным мишеням для лечения опухолей и вирусных инфекций. [26]
ENT являются частью надсемейства Major Facilitator (MFS) и, как предполагается, транспортируют нуклеозиды с использованием модели «зажим-и-переключатель». [26] В этой модели субстрат сначала связывается с транспортером, что приводит к конформационному изменению, которое формирует окклюдированное состояние (зажим). Затем транспортер переключается, чтобы повернуться лицом к другой стороне мембраны, и высвобождает связанный субстрат (переключение). [26]
ENT были обнаружены у простейших и млекопитающих. У людей они были обнаружены как транспортеры ENT3 (hENT1-3) и ENT4 (hENT4). [25] ENT экспрессируются во всех типах тканей, но некоторые белки ENT были обнаружены в большем количестве в определенных тканях. hENT1 в основном обнаружен в надпочечниках , яичниках , желудке и тонком кишечнике . [25] hENT2 в основном экспрессируется в неврологических тканях и небольших частях кожи , плаценте, мочевом пузыре , сердечной мышце и желчном пузыре . [25] hENT3 в высокой степени экспрессируется в коре головного мозга , боковом желудочке , яичниках и надпочечниках . [25] hENT4 более известен как транспортер моноаминов плазматической мембраны (PMAT) , поскольку он облегчает перемещение органических катионов и биогенных аминов через мембрану. [25]
Унипортеры транспортируют молекулы или ионы путем пассивного транспорта через клеточную мембрану по градиенту концентрации.
При связывании и распознавании определенной молекулы субстрата на одной стороне мембраны унипортера в белке-транспортере происходит конформационное изменение . [27] Это заставляет белок-транспортер менять свою трехмерную форму, что обеспечивает захват молекулы субстрата в структуре белков-транспортеров. Конформационное изменение приводит к перемещению субстрата через мембрану на другую сторону. [27] На другой стороне мембраны унипортер претерпевает еще одно конформационное изменение при высвобождении молекулы субстрата. Унипортер возвращается к своей исходной конформации, чтобы связать другую молекулу для транспорта. [27]
В отличие от симпортеров и антипортеров , унипортеры транспортируют одну молекулу/ион в одном направлении на основе градиента концентрации. [28] Весь процесс зависит от разницы концентраций субстрата на мембране, которая является движущей силой для транспорта унипортерами. [28] Для этого процесса не требуется клеточная энергия в форме АТФ . [28]
Унипортеры играют важную роль в выполнении различных клеточных функций. Каждый унипортер специализируется на облегчении транспортировки определенной молекулы или иона через клеточную мембрану. Примеры нескольких физиологических ролей, в которых участвуют унипортеры, включают: [29]
Мутации в генах, кодирующих унипортеры, приводят к образованию дисфункциональных транспортных белков. Эта потеря функции унипортеров вызывает нарушение клеточной функции, что приводит к различным заболеваниям и расстройствам.