stringtranslate.com

Транспортер ионов

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.

Диффузия против транспорта

Классификация и устранение неоднозначности

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]

Источник энергии

Первичный транспортер

АТФ-синтаза использует химический (протонный) градиент для генерации АТФ.

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]

Активный транспортер

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.

Транспортер, производящий АТФ

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]

Вторичный транспортер

Симпортер Na+ Glu

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]

Регулирование

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]

Методы исследования переносчиков ионов

Патч-зажим

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

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

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.

Резонансная передача энергии Фёрстера

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]

Таблица переносчиков ионов

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abc Маффео С, Бхаттачарья С, Ю Дж, Уэллс Д, Аксиментьев А (декабрь 2012 г.). «Моделирование и моделирование ионных каналов». Химические обзоры . 112 (12): 6250–84. дои : 10.1021/cr3002609. ПМЦ  3633640 . ПМИД  23035940.
  2. ^ ab Purves D, Augustine GJ, Fitzpatrick D, Katz LC, LaMantia AS, McNamara JO, Williams SM, ред. (2001). «Каналы и транспортеры». Нейронаука (2-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. ISBN 0-87893-742-0.
  3. ^ аб Хауманн Дж., Даш Р.К., Стоу Д.Ф., Боеленс А.Д., Бирд Д.А., Камара АК (август 2010 г.). «Свободный от митохондрий [Ca2+] увеличивается во время антипорта АТФ/АДФ и фосфорилирования АДФ: исследование механизмов». Биофизический журнал . 99 (4): 997–1006. Бибкод : 2010BpJ....99..997H. дои : 10.1016/j.bpj.2010.04.069. ПМЦ 2920628 . ПМИД  20712982. 
  4. ^ Гэдсби, округ Колумбия (май 2009 г.). «Ионные каналы и ионные насосы: принципиальная разница». Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 10 (5): 344–52. дои : 10.1038/nrm2668. ПМЦ 2742554 . ПМИД  19339978. 
  5. ^ Аб Пракаш С., Купер Г., Сингхи С., Сайер М.Х. (декабрь 2003 г.). «Суперсемейство переносчиков ионов». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . 1618 (1): 79–92. дои : 10.1016/j.bbamem.2003.10.010 . ПМИД  14643936.
  6. ^ abcdefghi Voet D, Voet VG, Pratt CW (29 февраля 2016 г.). Основы биохимии: жизнь на молекулярном уровне . ISBN 9781118918401. ОКЛК  910538334.
  7. ^ abcd Scheer BT (01 января 2014 г.). «Ионный транспорт». ДоступНаука . дои : 10.1036/1097-8542.352000.
  8. ^ Морт Дж.П., Педерсен Б.П., Бух-Педерсен М.Дж., Андерсен Дж.П., Вильсен Б., Палмгрен М.Г., Ниссен П. (январь 2011 г.). «Структурный обзор ионных насосов плазматической мембраны Na +, K +-АТФаза и H +-АТФаза». Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 12 (1): 60–70. дои : 10.1038/nrm3031. PMID  21179061. S2CID  9734181.
  9. ^ Такеучи А., Рейес Н., Артигас П., Гадсби, округ Колумбия (ноябрь 2009 г.). «Визуализация картированного пути ионов через насос Na,K-АТФазы». Каналы . 3 (6): 383–6. дои : 10.4161/chan.3.6.9775. ПМК 2889157 . ПМИД  19806033. 
  10. ^ Хоссейнзаде З., Луо Д., Сопджани М., Бхавсар С.К., Ланг Ф. (апрель 2014 г.). «Понижение регуляции эпителиального Na⁺-канала ENaC с помощью Янус-киназы 2». Журнал мембранной биологии . 247 (4): 331–8. дои : 10.1007/s00232-014-9636-1. PMID  24562791. S2CID  16015149.
  11. ^ ab Prebble JN (сентябрь 2010 г.). «Открытие окислительного фосфорилирования: концептуальное ответвление от изучения гликолиза». Исследования по истории и философии биологических и биомедицинских наук . 41 (3): 253–62. дои : 10.1016/j.shpsc.2010.07.014. ПМИД  20934646.
  12. ^ Тихонов АН (октябрь 2013). «РН-зависимая регуляция транспорта электронов и синтеза АТФ в хлоропластах». Исследования фотосинтеза . 116 (2–3): 511–34. doi : 10.1007/s11120-013-9845-y. PMID  23695653. S2CID  12903551.
  13. ^ Крейн Р.К., Форстнер Г., Эйххольц А. (ноябрь 1965 г.). «Исследования механизма кишечной абсорбции сахаров. X. Влияние концентрации Na + на кажущиеся константы Михаэлиса для кишечного транспорта сахара in vitro». Биохимика и биофизика Acta . 109 (2): 467–77. дои : 10.1016/0926-6585(65)90172-x. ПМИД  5867548.
  14. ^ Маршалл В.С., Уоттерс К.Д., Ховдестад Л.Р., Коззи Р.Р., Като Ф. (август 2009 г.). «Функциональная регуляция CFTR Cl-канала путем фосфорилирования киназы фокальной адгезии по тирозину 407 в осмочувствительных ион-транспортирующих богатых митохондриями клетках эвригалинной рыбы-киллифиша». Журнал экспериментальной биологии . 212 (Часть 15): 2365–77. дои : 10.1242/jeb.030015. ПМК 2712415 . ПМИД  19617429. 
  15. ^ Ванденберг Дж.И., Ваксман С.Г. (июнь 2012 г.). «Ходжкин и Хаксли и основа электрической сигнализации: замечательное наследие, которое все еще живо». Журнал физиологии . 590 (11): 2569–70. doi : 10.1113/jphysicalol.2012.233411. ПМЦ 3424715 . ПМИД  22787169. 
  16. ^ Свант Дж., Гудвин Дж.С., Норт А., Али А.А., Гэмбл-Джордж Дж., Чирва С., Хошбуэй Х. (декабрь 2011 г.). «α-синуклеин стимулирует хлоридный ток, зависимый от переносчика дофамина, и модулирует активность переносчика». Журнал биологической химии . 286 (51): 43933–43. дои : 10.1074/jbc.M111.241232 . ПМЦ 3243541 . ПМИД  21990355. 
  17. ^ Морт Дж. П., Педерсен Б. П., Тоуструп-Йенсен М. С., Соренсен Т. Л., Петерсен Дж., Андерсен Дж. П. и др. (декабрь 2007 г.). «Кристаллическая структура натриево-калиевого насоса». Природа . 450 (7172): 1043–9. Бибкод : 2007Natur.450.1043M. дои : 10.1038/nature06419. PMID  18075585. S2CID  4344526.
  18. ^ Шинода Т., Огава Х., Корнелиус Ф., Тоёсима С. (май 2009 г.). «Кристаллическая структура натриево-калиевого насоса при разрешении 2,4 А». Природа . 459 (7245): 446–50. Бибкод : 2009Natur.459..446S. дои : 10.1038/nature07939. PMID  19458722. S2CID  205216514.

Внешние ссылки