Мембранный транспортный белок — это мембранный белок, участвующий в перемещении ионов , малых молекул и макромолекул , таких как другой белок , через биологическую мембрану . Транспортные белки являются интегральными трансмембранными белками ; то есть они постоянно существуют внутри и охватывают мембрану, через которую они транспортируют вещества. Белки могут способствовать перемещению веществ путем облегченной диффузии , активного транспорта , осмоса или обратной диффузии . Два основных типа белков, участвующих в таком транспорте, в целом подразделяются на каналы или переносчики (также известные как транспортеры или пермеазы ). Примерами канальных/переносных белков являются унипортер GLUT 1 , натриевые каналы и калиевые каналы . Переносчики растворенных веществ и атипичные SLC [1] являются вторичными активными или облегчающими переносчиками у людей. [2] [3] В совокупности мембранные транспортеры и каналы известны как транспортом. [4] Транспортомы управляют клеточным притоком и оттоком не только ионов и питательных веществ, но и лекарств.
Носитель не открыт одновременно для внеклеточной и внутриклеточной среды. Либо его внутренние ворота открыты, либо открыты внешние ворота. Напротив, канал может быть открыт для обеих сред одновременно, позволяя молекулам диффундировать без перерыва. Носители имеют сайты связывания, но поры и каналы их не имеют. [5] [6] [7] Когда канал открыт, миллионы ионов могут проходить через мембрану в секунду, но только от 100 до 1000 молекул обычно проходят через молекулу носителя за одно и то же время. [8] Каждый белок-носитель предназначен для распознавания только одного вещества или одной группы очень похожих веществ. Исследования связывают дефекты в определенных белках-носителях с определенными заболеваниями. [9]
Активный транспорт — это перемещение вещества через мембрану против градиента его концентрации. Обычно это делается для накопления высоких концентраций молекул, необходимых клетке, таких как глюкоза или аминокислоты. Если процесс использует химическую энергию, такую как аденозинтрифосфат (АТФ), он называется первично-активным транспортом . Мембранные транспортные белки, которые приводятся в действие непосредственно гидролизом АТФ, называются насосами АТФазы . [10] Эти типы насосов напрямую направляют экзергонический гидролиз АТФ в неблагоприятное перемещение молекул против градиента их концентрации. Примерами насосов АТФазы являются АТФазы P-типа , АТФазы V-типа , АТФазы F-типа и связывающие кассеты ABC . [ требуется цитата ]
Вторичный активный транспорт включает использование электрохимического градиента и не использует энергию, вырабатываемую в клетке. [11] Вторичный активный транспорт обычно использует типы белков-переносчиков, как правило, симпортеры и антипортеры . Белки-симпортеры связывают транспорт одной молекулы по ее градиенту концентрации с транспортом другой молекулы против ее градиента концентрации, и обе молекулы диффундируют в одном направлении . Белки-антипортеры транспортируют одну молекулу по ее градиенту концентрации для транспортировки другой молекулы против ее градиента концентрации, но молекулы диффундируют в противоположных направлениях . Поскольку симпортеры и антипортеры участвуют в связывании транспорта двух молекул, их обычно называют котранспортерами . В отличие от канальных белков, которые только пассивно транспортируют вещества через мембраны, белки-переносчики могут транспортировать ионы и молекулы либо пассивно посредством облегченной диффузии, либо посредством вторичного активного транспорта. [12] Белок-переносчик необходим для перемещения частиц из областей с низкой концентрацией в области с высокой концентрацией. Эти белки-переносчики имеют рецепторы, которые связываются с определенной молекулой (субстратом), нуждающейся в транспорте. Молекула или ион, которые должны быть транспортированы (субстрат), должны сначала связаться с сайтом связывания на молекуле-носителе с определенной аффинностью связывания. После связывания, и пока сайт связывания направлен в ту же сторону, носитель захватит или окклюдирует (примет и удержит) субстрат в своей молекулярной структуре и вызовет внутреннюю транслокацию, так что отверстие в белке теперь будет обращено к другой стороне плазматической мембраны. [13] Субстрат белка-носителя высвобождается в этом сайте в соответствии с его аффинностью связывания там. [ необходима цитата ]
Облегченная диффузия — это прохождение молекул или ионов через биологическую мембрану через специфические транспортные белки, не требующее затрат энергии. Облегченная диффузия используется, в частности, в случае больших 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, которые составляют бислои. Тип белков-носителей, используемых при облегченной диффузии, немного отличается от тех, которые используются при активном транспорте. Они по-прежнему являются трансмембранными белками-носителями, но это управляемые трансмембранные каналы, то есть они не перемещаются внутри и не требуют АТФ для функционирования. Субстрат берется с одной стороны управляемого носителя, и без использования АТФ субстрат высвобождается в клетку. Облегченная диффузия не требует использования АТФ, поскольку облегченная диффузия, как и простая диффузия, переносит молекулы или ионы по градиенту их концентрации. [14]
Осмос — это пассивная диффузия воды через клеточную мембрану из области высокой концентрации в область низкой концентрации. Поскольку осмос — это пассивный процесс, как облегченная диффузия и простая диффузия, он не требует использования АТФ. Осмос важен для регулирования баланса воды и соли внутри клеток, поэтому он играет важную роль в поддержании гомеостаза. [15] Аквапорины — это интегральные мембранные белки, которые обеспечивают быстрый проход воды и глицерина через мембраны. Мономеры аквапоринов состоят из шести трансмембранных доменов альфа-спирали, и эти мономеры могут собираться, образуя белки аквапоринов. Поскольку четыре из этих мономеров объединяются, образуя белок аквапоринов, он известен как гомотетрамер , то есть он состоит из четырех идентичных субъединиц. [16] [17] Все аквапорины — это тетрамерные мембранные интегральные белки, и вода проходит через каждый отдельный канал мономера, а не между всеми четырьмя каналами. Поскольку аквапорины представляют собой трансмембранные каналы для диффузии воды, каналы, из которых состоят аквапорины, обычно выстланы гидрофильными боковыми цепями, позволяющими воде проходить через них.
Обратный транспорт , или обращение транспортера , представляет собой явление, при котором субстраты мембранного транспортного белка перемещаются в направлении, противоположном их типичному движению транспортером. [18] [19] [20] [21] [22] Обращение транспортера обычно происходит, когда мембранный транспортный белок фосфорилируется определенной протеинкиназой , которая представляет собой фермент , добавляющий фосфатную группу к белкам. [18] [19]
(Сгруппировано по категориям базы данных классификации транспортеров )
Облегченная диффузия происходит в клеточную мембрану и из нее через каналы/поры и переносчики/портеры.
Примечание:
Каналы находятся либо в открытом, либо в закрытом состоянии. Когда канал открывается с небольшим конформационным переключением, он открыт для обеих сред одновременно (внеклеточной и внутриклеточной)
Поры постоянно открыты для обеих этих сред, поскольку они не претерпевают конформационных изменений. Они всегда открыты и активны.
Также называются белками-переносчиками или вторичными переносчиками.
Группа транслокаторов обеспечивает особый механизм фосфорилирования сахаров при их транспортировке в бактерии (группа транслокации PEP).
Трансмембранные переносчики электронов в мембране включают двухэлектронные переносчики, такие как оксидоредуктазы дисульфидных связей (DsbB и DsbD в E. coli), а также одноэлектронные переносчики, такие как НАДФН-оксидаза. Часто эти редокс-белки не считаются транспортными белками.
Каждый белок-носитель, особенно в пределах одной клеточной мембраны, специфичен для одного типа или семейства молекул. GLUT1 — это названный белок-носитель, обнаруженный почти во всех мембранах животных клеток, который переносит глюкозу через бислой. Этот белок является унипортером , то есть он переносит глюкозу по своей концентрации в единственном направлении. Это интегральный мембранный белок-носитель с гидрофильной внутренней частью, что позволяет ему связываться с глюкозой. Поскольку GLUT 1 является типом белка-носителя, он претерпит конформационные изменения, чтобы позволить глюкозе проникнуть на другую сторону плазматической мембраны. [23] GLUT 1 обычно встречается в мембранах эритроцитов млекопитающих. [24]
Хотя существует множество примеров каналов в организме человека, два наиболее примечательных из них — это натриевые и калиевые каналы. Калиевые каналы обычно участвуют в транспорте ионов калия через клеточную мембрану наружу клетки, что помогает поддерживать отрицательный мембранный потенциал клеток. Поскольку калиевых каналов больше, чем натриевых каналов, больше калия вытекает из клетки, чем натрия в клетку, поэтому мембранный потенциал отрицательный. Натриевые каналы обычно участвуют в транспорте 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. [25] Поскольку эти белки являются типами канальных белков, они не претерпевают изменения конформации после связывания своих соответствующих субстратов.
Другие специфические белки-носители также помогают организму функционировать в важных направлениях. Цитохромы работают в цепи переноса электронов как белки-носители электронов. [11]
Ряд наследственных заболеваний связаны с дефектами белков-переносчиков в определенном веществе или группе клеток. Цистеинурия (цистеин в моче и мочевом пузыре) — это такое заболевание, при котором дефектные белки-переносчики цистеина находятся в мембранах клеток почек. Обычно эта транспортная система удаляет цистеин из жидкости, предназначенной для превращения в мочу, и возвращает эту незаменимую аминокислоту в кровь. Когда этот переносчик дает сбой, большие количества цистеина остаются в моче, где он относительно нерастворим и имеет тенденцию выпадать в осадок. Это одна из причин образования мочевых камней. [26] Было показано, что некоторые белки-переносчики витаминов сверхэкспрессируются у пациентов со злокачественными заболеваниями. Например, было показано, что уровни белка-переносчика рибофлавина (RCP) значительно повышены у людей с раком молочной железы . [27]
Anderle, P., Barbacioru, C., Bussey, K., Dai, Z., Huang, Y., Papp, A., Reinhold, W., Sadee, W., Shankavaram, U., & Weinstein, J. (2004). Мембранные транспортеры и каналы: роль транспортома в химиочувствительности и химиорезистентности рака. Cancer Research, 54, 4294-4301.
