В биологии транспортер — это трансмембранный белок , который перемещает ионы (или другие небольшие молекулы) через биологическую мембрану для выполнения множества различных биологических функций, включая клеточную связь, поддержание гомеостаза, производство энергии и т. д. [1] Существуют различные типы транспортеров. включая насосы, унипортеры, антипортеры и симпортеры. Активные переносчики или ионные насосы — это переносчики, которые преобразуют энергию из различных источников, включая аденозинтрифосфат (АТФ), солнечный свет и другие окислительно-восстановительные реакции, в потенциальную энергию, перекачивая ион вверх по градиенту концентрации. [2] Эта потенциальная энергия затем может быть использована вторичными переносчиками, включая переносчики ионов и ионные каналы, для управления жизненно важными клеточными процессами, такими как синтез АТФ . [3]
Эта страница посвящена в основном транспортерам ионов, действующим как насосы, но транспортеры также могут перемещать молекулы 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]
Транспортеры ионов необходимы для правильного функционирования клеток, поэтому они в высокой степени регулируются клеткой и изучаются исследователями с использованием различных методов. Будут приведены некоторые примеры клеточной регуляции и методов исследования.
Транспортеры ионов классифицируются как суперсемейство транспортеров , которое включает 12 семейств транспортеров. [5] Эти семейства являются частью системы транспортной классификации (TC), которая используется Международным союзом биохимии и молекулярной биологии (IUBMB) и сгруппированы по таким характеристикам, как транспортируемые субстраты, механизм транспорта, источник энергии. используемых, 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 вещества. [5] Транспортеры ионов существенно отличаются от ионных каналов . Каналы — это поры, проходящие 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 гораздо 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 попадают в канал, течь по градиенту концентрации, выравнивая концентрации по обе стороны клеточной мембраны. Ионные каналы и переносчики ионов достигают этого посредством облегченной диффузии , которая является разновидностью пассивного транспорта . Однако только переносчики ионов также могут осуществлять активный транспорт, который предполагает перемещение ионов против градиента их концентрации. [7] Используя источники энергии, такие как АТФ, переносчики ионов способны перемещать ионы против градиента их концентрации, которые затем могут использоваться вторичными переносчиками или другими белками в качестве источника энергии. [6]
Первичные переносчики используют энергию для транспортировки ионов, таких как Na + , K + и Ca2 + , через клеточную мембрану и могут создавать градиенты концентрации. [6] Этот транспорт может использовать АТФ в качестве источника энергии или его можно использовать для генерации АТФ с помощью таких методов, как цепь переноса электронов в растениях. [7] [6]
Транспортеры, использующие АТФ, преобразуют энергию АТФ в потенциальную энергию в виде градиента концентрации. Они используют АТФ для транспортировки ионов от низкой концентрации к более высокой концентрации. Примерами белков, которые используют АТФ, являются АТФазы P-типа , которые переносят ионы Na + , K + и Ca 2+ путем фосфорилирования, АТФазы А-типа, которые переносят анионы, и транспортеры ABC (АТФ-связывающие кассетные переносчики), которые транспортируют широкий набор молекулы. [6] Примеры АТФазы P-типа включают Na + /K + -АТФазу [7] [8] [9] , которая регулируется Янус-киназой-2 [10] , а также Са 2+ -АТФазу , которая проявляет чувствительность к АДФ. и концентрации АТФ [3] P-гликопротеин является примером транспортно-связывающего белка ABC в организме человека.
Транспортеры, производящие АТФ, движутся в противоположном направлении от транспортеров, использующих АТФ. Эти белки переносят ионы от высокой концентрации к низкой с градиентом, но при этом образуется АТФ. Потенциальная энергия в виде градиента концентрации используется для генерации АТФ. [6] У животных синтез АТФ происходит в митохондриях с использованием АТФазы F-типа , иначе известной как АТФ-синтаза . Этот процесс использует цепь переноса электронов в процессе, называемом окислительным фосфорилированием . [11] [2] АТФаза V-типа выполняет функцию, противоположную АТФазе F-типа, и используется в растениях для гидролиза АТФ с целью создания протонного градиента. Примером этого являются лизосомы, которые используют АТФазу V-типа, подкисляют пузырьки или вакуоли растений во время процесса фотосинтеза в хлоропластах. [7] Этот процесс можно регулировать с помощью различных методов, таких как pH. [12]
Вторичные переносчики также транспортируют ионы (или небольшие молекулы) против градиента концентрации – от низкой концентрации к высокой концентрации – но в отличие от первичных переносчиков, которые используют АТФ для создания градиента концентрации, вторичные переносчики используют потенциальную энергию градиента концентрации, создаваемого первичными переносчиками. для транспортировки ионов. [6] Например, натрий-зависимый переносчик глюкозы, обнаруженный в тонком кишечнике и почках, использует градиент натрия, создаваемый в клетке натрий-калиевым насосом (как упоминалось выше), чтобы помочь доставить глюкозу в клетку. [13] Это происходит, когда натрий течет вниз по градиенту концентрации, что обеспечивает достаточно энергии, чтобы подтолкнуть глюкозу вверх по градиенту концентрации обратно в клетку. Это важно для тонкого кишечника и почек, чтобы предотвратить потерю глюкозы. Симпортеры , такие как симпортер натрий-глюкозы, транспортируют ион с градиентом его концентрации и связывают транспорт второй молекулы в том же направлении. Антипортеры также используют градиент концентрации одной молекулы для перемещения другой вверх по градиенту концентрации, но связанная молекула транспортируется в противоположном направлении. [6]
Транспортеры ионов можно регулировать 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 переносчика. [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. Транспортеры ионов также можно регулировать концентрацией иона (не обязательно иона, который он переносит) в растворе. Например, цепь переноса электронов регулируется наличием в растворе ионов H + (рН). [6]
Патч-зажим — это электрофизиологический метод, используемый для изучения каналов и транспортеров в клетках путем отслеживания тока, проходящего через них. Эта техника была усовершенствована Ходжкиным и Хаксли еще до того, как стало известно о существовании каналов и транспортеров. [11] [15] Помимо того, что его новаторская работа на ранних этапах разработки патч-зажима, наследие продолжается и широко используется исследователями до сих пор для изучения переносчиков ионов и того, как окружающая среда и лиганды влияют на функцию переносчика. [1] [16]
Рентгеновская кристаллография — невероятный инструмент, позволяющий визуализировать структуру белков, однако это всего лишь 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 близки два белка друг к другу. Это использовалось при изучении транспортеров, чтобы увидеть, как они взаимодействуют с другими клеточными белками. [1]