Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В биологии переносчик - это трансмембранный белок, который перемещает ионы (или другие небольшие молекулы) через биологическую мембрану для выполнения множества различных биологических функций, включая клеточную связь, поддержание гомеостаза, выработку энергии и т. Д. [1] Существуют разные типы переносчиков. в том числе 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, нагнетая ион вверх по градиенту его концентрации. [2]Эта потенциальная энергия может затем использоваться вторичными переносчиками, включая переносчики ионов и ионные каналы, для управления жизненно важными клеточными процессами, такими как синтез АТФ . [3]

Эта страница посвящена в основном ионным переносчикам, действующим как насосы, но переносчики 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 их концентрации через эти переносчики белка. [4]

Переносчики ионов необходимы для правильного функционирования клетки, поэтому они сильно регулируются клеткой и изучаются исследователями с использованием различных методов. Будут приведены некоторые примеры клеточной регуляции и методов исследования.

Распространение против транспорта

Классификация и устранение неоднозначности [ править ]

Ионные транспортеры классифицируются как супер семьи из транспортеров , которые содержат 12 семейств транспортеров. [5] Эти семейства являются частью системы транспортной классификации (TC), которая используется Международным союзом биохимии и молекулярной биологии (IUBMB), и сгруппированы в соответствии с такими характеристиками, как транспортируемые субстраты, механизм транспортировки, источник энергии. используется, а также путем сравнения последовательностей ДНК, составляющих каждый белок. Наиболее важным объединяющим фактором является заряженная природа субстрата, которая указывает на перенос иона, а не нейтральных частиц. [5] Переносчики ионов значительно отличаются от ионных каналов.. Каналы - это поры, которые проходят через мембрану, тогда как транспортеры - это белки, которые должны менять форму, чтобы переключить, с какой стороны мембраны они открыты, из-за этого транспортеры намного 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 иона 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. Ионные каналы позволяют определенным ионам, которые войдут в канал, течь вниз по градиенту их концентрации, выравнивая концентрации по обе стороны от клеточной мембраны. Ионные каналы и переносчики ионов достигают этого за счет облегченной диффузии, которая является типом пассивного транспорта.. Однако только переносчики ионов могут также осуществлять активный транспорт, который включает перемещение ионов против градиента их концентрации. [7] Используя источники энергии, такие как АТФ, переносчики ионов могут перемещать ионы против градиента их концентрации, которые затем могут использоваться вторичными переносчиками или другими белками в качестве источника энергии. [6]

Источник энергии [ править ]

Основной транспортер [ править ]

АТФсинтаза использует химический (протонный) градиент для генерации АТФ

Первичные переносчики используют энергию для переноса ионов, таких как Na + , K + и Ca 2+, 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 [ править ]

Транспортеры, использующие АТФ, преобразуют энергию АТФ в потенциальную энергию в виде градиента концентрации. Они используют АТФ для переноса иона из низкой концентрации в более высокую. Примерами белков, которые используют АТФ, являются АТФазы P-типа, которые переносят ионы Na + , K + и Ca 2+ путем фосфорилирования, АТФазы A-типа, переносящие анионы, и переносчики ABC (переносчики кассет, связывающих АТФ), 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 Ca 2+ -АТФаза, которая проявляет чувствительность к концентрациям АДФ и АТФ [3] P-гликопротеин является примером транспортного связывающего белка ABC в организме человека.

Переносчик, продуцирующий АТФ [ править ]

Транспортеры, продуцирующие АТФ, работают в противоположном направлении по отношению к транспортерам, использующим АТФ. Эти белки переносят ионы от высокой к низкой концентрации с градиентом, но в процессе образуется АТФ. Потенциальная энергия в виде градиента концентрации используется для генерации АТФ. [6] У животных этот синтез АТФ происходит в митохондриях с использованием АТФазы F-типа, также известной как АТФ-синтаза . Этот процесс использует цепь переноса электронов в процессе, называемом окислительным фосфорилированием . [11] [2] АТФаза V-типавыполняет противоположную функцию АТФазы F-типа и используется в растениях для гидролиза АТФ с целью создания протонного градиента. Примерами этого являются лизосомы, которые используют АТФазу V-типа для подкисления пузырьков или вакуолей растений во время процесса фотосинтеза в хлоропластах. [7] Этот процесс можно регулировать с помощью различных методов, например, pH. [12]

Вторичный транспортер [ править ]

Симпортер Na + Glu

Вторичные переносчики также переносят ионы (или небольшие молекулы) против градиента концентрации - от низкой концентрации к высокой - но в отличие от первичных переносчиков, которые используют АТФ для создания градиента концентрации, вторичные переносчики используют потенциальную энергию градиента концентрации, создаваемого первичными переносчиками транспортировать ионы. [6] Например, натрийзависимый переносчик глюкозы, обнаруженный в тонком кишечнике и почках, использует градиент натрия, создаваемый в клетке натрий-калиевым насосом (как упоминалось выше), чтобы помочь переносить глюкозу в клетку. [13]Это происходит, когда натрий течет вниз по градиенту концентрации, который 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 натрий-глюкозный симпортер, переносят ион с градиентом его концентрации, и они 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]

Регламент [ править ]

Переносчики ионов можно регулировать различными способами, такими как фосфорилирование, аллостерическое ингибирование или активация и чувствительность к концентрации ионов. Использование протеинкиназ для добавления фосфатной группы или фосфатаз для дефосфорилирования белка может изменить активность переносчика. [14]Будет ли белок активирован или ингибирован добавлением фосфатной группы, зависит от конкретного белка. При аллостерическом ингибировании регуляторный лиганд может связываться с регуляторным сайтом и либо ингибировать, либо активировать переносчик. Переносчики ионов также могут регулироваться концентрацией иона (не обязательно иона, который он переносит) в растворе. Например, цепь переноса электронов регулируется присутствием ионов H + (pH) в растворе. [6]

Методы изучения переносчиков ионов [ править ]

Patch Clamp [ править ]

Патч-зажим - это электрофизиологический метод, используемый для изучения каналов и переносчиков в клетках путем отслеживания протекающего через них тока. Этот метод был усовершенствован Ходжкином и Хаксли до того, как стало известно о существовании каналов и транспортеров. [11] [15] Помимо новаторской работы по закреплению пластырей, наследие продолжается и широко используется исследователями для изучения переносчиков ионов и того, как окружающая среда и лиганды влияют на функцию переносчика. [1] [16]

Рентгеновская кристаллография [ править ]

Рентгеновская кристаллография - невероятный инструмент, который позволяет визуализировать структуру белков, однако это всего лишь снимок конформации одного белка. Структура транспортных белков позволяет исследователям лучше понять, как и что переносчик делает для перемещения молекул через мембрану. [17] [18]

FRAP [ править ]

Флуоресценция 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 ее взаимодействия с липидными доменами и липидными рафтами в клеточной мембране.

FRET [ править ]

Резонансный перенос энергии Фёрстера (FRET) - это метод, в котором флуоресценция используется для отслеживания расстояния между двумя белками. Это было использовано при изучении переносчиков, чтобы увидеть, как они взаимодействуют с другими клеточными белками. [1]

Таблица переносчиков ионов [ править ]

Ионные транспортеры
Транспортер нейротрансмиттера
Переносчик глутамата
Транспортер моноаминов
Транспортеры ГАМК
Переносчики глицина
Переносчики аденозина
Плазменная мембрана Са 2+ АТФаза
Натрий-кальциевый обменник
Симпортер натрия хлорида

См. Также [ править ]

  • Активный транспорт
  • Ионный транспортный номер
  • Суперсемейство ионных переносчиков
  • Мембранный транспортный белок
  • Транспортный белок

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Maffeo C, Bhattacharya S, Yoo J, Wells D, Aksimentiev A (декабрь 2012 г.). «Моделирование и моделирование ионных каналов» . Химические обзоры . 112 (12): 6250–84. DOI : 10.1021 / cr3002609 . PMC  3633640 . PMID  23035940 .
  2. ^ a b Purves D, Augustine GJ, Fitzpatrick D, Katz LC, LaMantia AS, McNamara JO, Williams SM, ред. (2001). «Каналы и транспортеры» . Неврология (2-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. ISBN 0-87893-742-0.
  3. ^ a b Хауманн Дж., Даш Р.К., Стоу Д.Ф., Боеленс А.Д., Борода Д.А., Камара А.К. (август 2010 г.). «Митохондриальный свободный [Ca2 +] увеличивается во время антипорта АТФ / АДФ и фосфорилирования АДФ: исследование механизмов» . Биофизический журнал . 99 (4): 997–1006. Bibcode : 2010BpJ .... 99..997H . DOI : 10.1016 / j.bpj.2010.04.069 . PMC 2920628 . PMID 20712982 .  
  4. ^ Gadsby DC (май 2009). «Ионные каналы против ионных насосов: принципиальная разница» . Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология . 10 (5): 344–52. DOI : 10.1038 / nrm2668 . PMC 2742554 . PMID 19339978 .  
  5. ^ a b Prakash S, Cooper G, Singhi S, Saier MH (декабрь 2003 г.). «Суперсемейство ионных переносчиков». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны . 1618 (1): 79–92. DOI : 10.1016 / j.bbamem.2003.10.010 . PMID 14643936 . 
  6. ^ a b c d e f g h i Воет Д., Воет В. Г., Пратт CW (29 февраля 2016 г.). Основы биохимии: жизнь на молекулярном уровне . ISBN 9781118918401. OCLC  910538334 .
  7. ^ а б в г Scheer BT (01.01.2014). «Ионный транспорт» . AccessScience . DOI : 10.1036 / 1097-8542.352000 .
  8. ^ Morth JP, Педерсен BP, Buch-Pedersen MJ, Андерсен JP, Vilsen B, Палмгрен MG, Ниссен P (январь 2011). «Обзор структуры плазматической мембраны ионных насосов Na +, K + -ATPase и H + -ATPase». Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология . 12 (1): 60–70. DOI : 10.1038 / nrm3031 . PMID 21179061 . S2CID 9734181 .  
  9. Перейти ↑ Takeuchi A, Reyes N, Artigas P, Gadsby DC (ноябрь 2009 г.). «Визуализация картированного ионного пути через насос Na, K-ATPase» . Каналы . 3 (6): 383–6. DOI : 10,4161 / chan.3.6.9775 . PMC 2889157 . PMID 19806033 .  
  10. ^ Hosseinzadeh Z, Ло D, Sopjani M, Бхавсар SK, Lang F (апрель 2014). «Снижение регуляции эпителиального Na⁺ канала ENaC с помощью киназы 2 Janus». Журнал мембранной биологии . 247 (4): 331–8. DOI : 10.1007 / s00232-014-9636-1 . PMID 24562791 . S2CID 16015149 .  
  11. ^ a b Prebble JN (сентябрь 2010 г.). «Открытие окислительного фосфорилирования: концептуальный ответвление исследования гликолиза». Исследования по истории и философии биологических и биомедицинских наук . 41 (3): 253–62. DOI : 10.1016 / j.shpsc.2010.07.014 . PMID 20934646 . 
  12. ↑ Тихонов А.Н. (октябрь 2013 г.). «pH-зависимая регуляция транспорта электронов и синтеза АТФ в хлоропластах». Фотосинтез Исследования . 116 (2–3): 511–34. DOI : 10.1007 / s11120-013-9845-у . PMID 23695653 . S2CID 12903551 .  
  13. ^ Кран RK, Форстнер G, Eichholz A (ноябрь 1965). «Исследования механизма кишечной абсорбции сахаров. X. Влияние концентрации Na + на кажущиеся константы Михаэлиса для кишечного транспорта сахара in vitro». Biochimica et Biophysica Acta . 109 (2): 467–77. DOI : 10.1016 / 0926-6585 (65) 90172-X . PMID 5867548 . 
  14. ^ Маршалл WS, Уоттерс KD, Hovdestad LR, Коззи RR, Като F (август 2009). «Функциональная регуляция Cl-канала CFTR путем фосфорилирования киназы фокальной адгезии по тирозину 407 в осмочувствительных ионах, транспортирующих богатые митохондриями клетки эвригалинной киллифы» . Журнал экспериментальной биологии . 212 (Pt 15): 2365–77. DOI : 10,1242 / jeb.030015 . PMC 2712415 . PMID 19617429 .  
  15. ↑ Vandenberg JI, Waxman SG (июнь 2012 г.). «Ходжкин и Хаксли и основа электрической сигнализации: замечательное наследие, которое до сих пор остается сильным» . Журнал физиологии . 590 (11): 2569–70. DOI : 10.1113 / jphysiol.2012.233411 . PMC 3424715 . PMID 22787169 .  
  16. ^ Swant J, Goodwin JS, North A, Али AA, Гэмбл-Джордж J, S Чирва, Khoshbouei H (декабрь 2011). «α-Синуклеин стимулирует зависимый от переносчика дофамина хлоридный ток и модулирует активность переносчика» . Журнал биологической химии . 286 (51): 43933–43. DOI : 10.1074 / jbc.M111.241232 . PMC 3243541 . PMID 21990355 .  
  17. ^ Морт Дж. П., Педерсен Б. П., Туструп-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. Bibcode : 2007Natur.450.1043M . DOI : 10,1038 / природа06419 . PMID 18075585 . S2CID 4344526 .  
  18. ↑ Шинода Т, Огава Х, Корнелиус Ф, Тойосима С (май 2009 г.). «Кристаллическая структура натрий-калиевого насоса при разрешении 2,4 А». Природа . 459 (7245): 446–50. Bibcode : 2009Natur.459..446S . DOI : 10,1038 / природа07939 . PMID 19458722 . S2CID 205216514 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Насосы Ion + по медицинским предметным рубрикам Национальной медицинской библиотеки США (MeSH) D12.776.157.530.450; Д12.776.543.585.450
  • База данных субстратов транспортера (TSdb)