Транспортер ионов

В биологии переносчик ионов — 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 путем накачки иона 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.

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 группируются по таким характеристикам, как транспортируемые субстраты, механизм транспорта, используемый источник энергии и 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, с 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. ⁺, К ⁺и Ка ²⁺ через клеточную мембрану и может 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

Активные переносчики используют АТФ для преобразования энергии АТФ в потенциальную энергию в форме градиента концентрации. Они используют АТФ для транспортировки ионов от низкой концентрации к более высокой концентрации. Примерами белков, использующих АТФ, являются АТФазы P-типа , которые переносят Na. ⁺, К ⁺и Ка ²⁺ ионы путем фосфорилирования, АТФазы А-типа, которые переносят анионы, и транспортеры ABC (транспортеры кассет, связывающих АТФ), которые транспортируют широкий набор молекул. ^[6] Примеры АТФазы P-типа включают Na ⁺/К ⁺-АТФаза ^[7]^[8]^[9] регулируется Янус Киназой-2 ^[10] а также Ка ²⁺ АТФаза , проявляющая чувствительность к концентрациям АДФ и 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 для подкисления пузырьков или вакуолей растений во время процесса фотосинтеза в хлоропластах. ^[7] Этот процесс можно регулировать с помощью различных методов, таких как pH. ^[12]

Вторичный транспортер

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 натриево-калиевым насосом (как упоминалось выше), для доставки глюкозы в клетку. ^[13] Это происходит, когда натрий стекает по градиенту концентрации, что обеспечивает достаточно энергии, чтобы вытолкнуть 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 присутствием H ⁺ ионы (pH) в растворе. ^[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

Транспортеры ионов
Транспортер нейромедиаторов
Транспортер глутамата
Транспортер моноаминов
Транспортеры ГАМК
Транспортеры глицина
Транспортеры аденозина
Плазматическая мембрана Ca ²⁺ АТФаза
Натриево-кальциевый обменник
Симпортер хлорида натрия

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с 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 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Первс Д., Августин Г.Дж., Фитцпатрик Д., Кац Л.К., ЛаМантия А.С., Макнамара Д.О., Уильямс С.М., ред. (2001). «Каналы и транспортеры» . Нейронаука (2-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. ISBN 0-87893-742-0 .
^ Перейти обратно: ^а ^б 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 .
^ Гэдсби, округ Колумбия (май 2009 г.). «Ионные каналы против ионных насосов: принципиальная разница» . Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 10 (5): 344–52. дои : 10.1038/nrm2668 . ПМЦ 2742554 . ПМИД 19339978 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Пракаш С., Купер Г., Сингхи С., Сайер М.Х. (декабрь 2003 г.). «Суперсемейство ионных переносчиков» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . 1618 (1): 79–92. дои : 10.1016/j.bbamem.2003.10.010 . ПМИД 14643936 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Воет Д., Воет В.Г., Пратт CW (29 февраля 2016 г.). Основы биохимии: жизнь на молекулярном уровне . Джон Уайли и сыновья. ISBN 9781118918401 . OCLC 910538334 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Шеер БТ (01 января 2014 г.). «Ионный транспорт» . ДоступНаука . дои : 10.1036/1097-8542.352000 .
^ 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 . ПМИД 21179061 . S2CID 9734181 .
^ 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 .
^ Хоссейнзаде З., Луо Д., Сопджани М., Бхавсар С.К., Ланг Ф. (апрель 2014 г.). «Понижающая регуляция эпителиального Na⁺-канала ENaC с помощью Янус-киназы 2». Журнал мембранной биологии . 247 (4): 331–8. дои : 10.1007/s00232-014-9636-1 . ПМИД 24562791 . S2CID 16015149 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Преббл Дж. Н. (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 .
^ Тихонов А.Н. (октябрь 2013). «РН-зависимая регуляция транспорта электронов и синтеза АТФ в хлоропластах». Исследования фотосинтеза . 116 (2–3): 511–34. Бибкод : 2013PhoRe.116..511T . дои : 10.1007/s11120-013-9845-y . ПМИД 23695653 . S2CID 12903551 .
^ 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-х . ПМИД 5867548 .
^ 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-киллифиши» . Журнал экспериментальной биологии . 212 (Часть 15): 2365–77. дои : 10.1242/jeb.030015 . ПМК 2712415 . ПМИД 19617429 .
^ 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. дои : 10.1113/jphysicalol.2012.233411 . ПМЦ 3424715 . ПМИД 22787169 .
^ 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 .
^ 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 : 2007Nature.450.1043M . дои : 10.1038/nature06419 . ПМИД 18075585 . S2CID 4344526 .
^ Шинода Т., Огава Х., Корнелиус Ф., Тоёсима К. (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 . ПМИД 19458722 . S2CID 205216514 .

Внешние ссылки

Ионные + насосы в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH) D12.776.157.530.450; Д12.776.543.585.450
База данных подложек Transporter (TSdb)

[:6-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с 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 .

[Purves_2001-2] Перейти обратно: ^а ^б Первс Д., Августин Г.Дж., Фитцпатрик Д., Кац Л.К., ЛаМантия А.С., Макнамара Д.О., Уильямс С.М., ред. (2001). «Каналы и транспортеры» . Нейронаука (2-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. ISBN 0-87893-742-0 .

[:2-3] Перейти обратно: ^а ^б 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 против ионных насосов: принципиальная разница» . Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 10 (5): 344–52. дои : 10.1038/nrm2668 . ПМЦ 2742554 . ПМИД 19339978 .

[:3-5] Перейти обратно: ^а ^б Пракаш С., Купер Г., Сингхи С., Сайер М.Х. (декабрь 2003 г.). «Суперсемейство ионных переносчиков» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . 1618 (1): 79–92. дои : 10.1016/j.bbamem.2003.10.010 . ПМИД 14643936 .

[:0-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Воет Д., Воет В.Г., Пратт CW (29 февраля 2016 г.). Основы биохимии: жизнь на молекулярном уровне . Джон Уайли и сыновья. ISBN 9781118918401 . OCLC 910538334 .

[:1-7] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Шеер БТ (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 . ПМИД 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.). «Понижающая регуляция эпителиального Na⁺-канала ENaC с помощью Янус-киназы 2». Журнал мембранной биологии . 247 (4): 331–8. дои : 10.1007/s00232-014-9636-1 . ПМИД 24562791 . S2CID 16015149 .

[:5-11] Перейти обратно: ^а ^б Преббл Дж. Н. (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 А.Н. (октябрь 2013). «РН-зависимая регуляция транспорта электронов и синтеза АТФ в хлоропластах». Исследования фотосинтеза . 116 (2–3): 511–34. Бибкод : 2013PhoRe.116..511T . дои : 10.1007/s11120-013-9845-y . ПМИД 23695653 . S2CID 12903551 .

[pmid5867548-13] 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-х . 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-киллифиши» . 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. дои : 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 : 2007Nature.450.1043M . дои : 10.1038/nature06419 . ПМИД 18075585 . S2CID 4344526 .

[18] Шинода Т., Огава Х., Корнелиус Ф., Тоёсима К. (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 . ПМИД 19458722 . S2CID 205216514 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

v т и Генетическое заболевание , мембрана: АТФазы. нарушения
ATP1	ATP1A2 (Alternating hemiplegia of childhood) ATP1A3 (Alternating hemiplegia of childhood)
ATP2	ATP2A1 (Brody myopathy) ATP2A2 (Darier's disease, Acrokeratosis verruciformis) ATP2C1 (Hailey–Hailey disease)
ATP7	ATP7A (Menkes disease) ATP7B (Wilson's disease)
ATP13	ATP13A2 (Kufor–Rakeb syndrome)
Other	Osteopetrosis B1
see also ATPase