Iontový přenašeč je transmembránový protein , který přesouvá ionty (nebo malé molekuly) přes biologickou membránu za účelem provádění mnoha různých biologických funkcí, včetně buněčné komunikace, udržování homeostázy, produkce energie atd. [1] Existují různé typy přenašečů, včetně pump , uniporters , antiporters a symporters. Aktivní transportéry neboli iontové pumpy jsou transportéry, které přeměňují energii z různých zdrojů, včetně adenosintrifosfátu (ATP), slunečního světla a dalších redoxních reakcí , na potenciální energii , pohybující iont podél jeho koncentračního gradientu .. [2] Tato potenciální energie pak může být použita sekundárními transportéry, včetně iontových transportérů a iontových kanálů , k řízení životně důležitých buněčných procesů, jako je syntéza ATP .
Tento článek se zaměřuje především na iontové transportéry fungující jako pumpy, ale transportéry mohou také pohybovat molekulami prostřednictvím usnadněné difúze. Usnadněná difúze nevyžaduje ATP a umožňuje molekulám, které nemohou rychle difundovat přes membránu ( pasivní difúze ), difundovat dolů jejich koncentračním gradientem přes tyto proteinové nosiče. Iontové transportéry jsou nezbytné pro správné fungování buňky, proto je výzkumníci studují pomocí různých metod. Níže jsou uvedeny některé příklady buněčné regulace a výzkumných metod. [3]
Nadrodina iontových transportérů zahrnuje 12 rodin [4] . Tato rodinná divize je součástí systému transportní klasifikace (TC) používaného Mezinárodní unií biochemie a molekulární biologie; proteiny jsou seskupeny podle charakteristik, jako jsou transportované substráty, transportní mechanismus, použitý zdroj energie a také porovnáním aminokyselinových sekvencí, které tvoří každý protein. Nejdůležitějším sjednocujícím faktorem je nabitá povaha substrátu, která indikuje transport iontu spíše než neutrálních druhů. Iontové transportéry se výrazně liší od iontových kanálů: kanály jsou póry, které procházejí membránou, zatímco transportéry jsou proteiny, které musí změnit tvar, aby se otevřely, z tohoto důvodu transportéry pohybují molekulami mnohem pomaleji než kanály.
Elektrochemický gradient nebo koncentrační gradient je rozdíl v koncentraci chemické molekuly nebo iontu ve dvou odlišných oblastech. V rovnováze budou koncentrace iontů v obou oblastech stejné, takže pokud existuje rozdíl v koncentraci, ionty budou mít tendenci proudit "dolů" koncentračním gradientem - to znamená z vysoké do nízké koncentrace. Iontové kanály umožňují určitým iontům, které vstupují do kanálu, proudit dolů jejich koncentračním gradientem, čímž se vyrovnají koncentrace na obou stranách buněčné membrány. Iontové kanály a iontové transportéry toho dosahují prostřednictvím usnadněné difúze, což je forma pasivního transportu. Pouze iontové transportéry však mohou také provádět aktivní transport , který zahrnuje pohyb iontů proti jejich koncentračnímu gradientu pomocí zdrojů energie, jako je ATP. Tyto ionty pak mohou být využity sekundárními transportéry nebo jinými proteiny jako zdroj energie. [5]
Primární transportéry využívají energii k přenášení iontů, jako je Na + , K + a Ca2 + přes buněčnou membránu a mohou vytvářet koncentrační gradienty. Tento transport může využívat ATP jako zdroj energie nebo jej lze použít k generování ATP prostřednictvím metod, jako je elektronový transportní řetězec v rostlinách. [5] Tento transport může využívat ATP jako zdroj energie nebo jej lze použít k vytvoření ATP prostřednictvím metod, jako je elektronový transportní řetězec v rostlinách. [5]
Aktivní transportéryTransportéry využívající ATP přeměňují energii ATP na potenciální energii ve formě koncentračního gradientu. Používají ATP k přesunu iontu z oblasti s nízkou koncentrací do oblasti s vyšší koncentrací. Příklady proteinů využívajících ATP jsou: ATPázy typu P, které transportují ionty Na + , K + a Ca2 + fosforylací ; ATPázy typu A nesoucí anionty; ABC transportéry (ATP-binding cassette transporters), které transportují širokou škálu molekul. Příklady ATPázy typu P zahrnují Na + /K + -ATPázu , která je regulována Janusovou kinázou 2 [6] , Ca2 + , ATPázou a Ca2 + -ATPázou, která je citlivá na ADP a ATP. koncentrace. P-glykoprotein je příkladem transportu ABC, který váže proteiny v lidském těle.
Transportéry produkující ATPTransportéry produkující ATP fungují v opačném směru než transportéry využívající ATP. Tyto proteiny přenášejí ionty od vysoké do nízké koncentrace, ale v tomto procesu se tvoří ATP. Potenciální energie ve formě koncentračního gradientu se tedy využívá k tvorbě ATP. U zvířat k této syntéze ATP dochází v mitochondriích pomocí ATPázy typu F , jinak známé jako ATP syntáza . Tento proces využívá elektronový transportní řetězec v procesu zvaném oxidativní fosforylace . ATPáza typu V plní opačnou funkci než ATPáza typu F a používá se v rostlinách k hydrolýze ATP k vytvoření protonového gradientu. Příkladem toho jsou lysozomy, které používají ATPázu typu V k okyselení rostlinných váčků nebo vakuol během procesu fotosyntézy v chloroplastech. Tento proces lze řídit různými metodami, jako je pH. [7]
Sekundární transportéry také přenášejí ionty (nebo malé molekuly) proti koncentračnímu gradientu od nízké po vysokou koncentraci, ale na rozdíl od primárních transportérů, které využívají ATP k vytvoření koncentračního gradientu, využívají k transportu iontů potenciální energii z koncentračního gradientu vytvořeného primárními transportéry. Například glukózový transportér závislý na sodíku, který se nachází v tenkém střevě a ledvinách, využívá k přesunu glukózy do buňky gradient sodíku vytvořený v buňce sodíkovo-draslíkovou pumpou (jak je uvedeno výše). K tomu dochází, když sodík proudí dolů koncentračním gradientem a poskytuje dostatek energie k vytlačení glukózy nahoru koncentračním gradientem zpět do buňky. Pro tenké střevo a ledviny je důležité zabránit ztrátě glukózy. Symportéry , jako je sodno-glukózový symporter, transportují iont s jeho koncentračním gradientem a vážou transport druhé molekuly ve stejném směru. Antiportery také používají koncentrační gradient jedné molekuly k posunu druhé nahoru po koncentračním gradientu, ale navázaná molekula je transportována v opačném směru. [5]
Iontové transportéry mohou být řízeny různými způsoby, jako je fosforylace, alosterická inhibice nebo aktivace a citlivost na koncentraci iontů. Použití proteinkinázy k přidání fosfátové skupiny nebo fosfatáz k defosforylaci proteinu může změnit aktivitu přenašeče. Zda bude protein aktivován nebo inhibován přidáním fosfátové skupiny závisí na konkrétním proteinu. Při alosterické inhibici se regulační ligand může vázat na regulační místo a buď inhibovat nebo aktivovat transportér. Iontové transportéry lze také regulovat koncentrací iontů (ne nutně těch, které nesou) v roztoku. Například elektronový transportní řetězec je regulován přítomností H + (pH) iontů v roztoku. [5]
Metoda lokálního potenciálu je elektrofyziologická metoda používaná ke studiu kanálů a nosičů v buňkách sledováním proudu, který jimi protéká. Tuto metodu vyvinuli Hodgkin a Huxley dříve, než se existence kanálů a dopravníků stala známou. [1] [8]
Rentgenová difrakční analýza je užitečný nástroj, který vám umožní vizualizovat strukturu proteinů, ale je to jen snímek konformace jednoho proteinu. Struktura transportních proteinů umožňuje výzkumníkům lépe porozumět tomu, jak a co transportér dělá pro pohyb molekul přes membránu. [9]
Tato metoda se používá ke sledování difúze lipidů nebo proteinů v membráně. Užitečné pro lepší pochopení mobility transportérů v buňce a její interakce s lipidovými doménami a lipidovými rafty v buněčné membráně.
Metoda, ve které se fluorescence používá ke sledování vzdálenosti mezi dvěma proteiny. Používá se ke studiu interakce transportérů s jinými buněčnými proteiny [1]
| Iontové transportéry |
|---|
| Neurotransmiterový transportér |
| Glutamátový transportér |
| Monoaminový transportér |
| transportéry GABA |
| Glycinové transportéry |
| Rovnovážné nukleosidové transportéry |
| Ca 2+ -ATPáza plazmatické membrány |
| sodno-vápenatý výměník |
| Simportér chloridu sodného |