En iontransportør er et transmembranprotein, der flytter ioner (eller små molekyler) over en biologisk membran for at udføre mange forskellige biologiske funktioner, herunder cellulær kommunikation, opretholdelse af homeostase, energiproduktion osv. [1] Der findes forskellige typer transportører, herunder pumper , uniportere , antiportere og symportere. Aktive transportører eller ionpumper er bærere, der omdanner energi fra forskellige kilder, herunder adenosintrifosfat (ATP), sollys og andre redoxreaktioner , til potentiel energi , der flytter en ion langs dens koncentrationsgradient . [2] Denne potentielle energi kan derefter bruges af sekundære transportører, herunder iontransportører og ionkanaler , til at drive vitale cellulære processer såsom ATP-syntese .
Denne artikel fokuserer primært på iontransportører, der fungerer som pumper, men transportører kan også flytte molekyler gennem lettere diffusion. Faciliteret diffusion kræver ikke ATP og tillader molekyler, der ikke hurtigt kan diffundere hen over membranen ( passiv diffusion ), at diffundere ned i deres koncentrationsgradient gennem disse proteinbærere. Iontransportører er afgørende for cellens korrekte funktion, så de bliver undersøgt af forskere ved hjælp af en række forskellige metoder. Nedenfor er nogle eksempler på cellulær regulering og forskningsmetoder. [3]
Superfamilien af iontransportører omfatter 12 familier [4] . Denne familieopdeling er en del af Transport Classification (TC)-systemet, der bruges af International Union of Biochemistry and Molecular Biology; proteiner er grupperet efter egenskaber såsom transporterede substrater, transportmekanisme, energikilde, der anvendes, og også ved at sammenligne de aminosyresekvenser, der udgør hvert protein. Den vigtigste samlende faktor er substratets ladede natur, hvilket indikerer transporten af en ion snarere end neutral art. Iontransportører adskiller sig væsentligt fra ionkanaler: kanaler er porer, der passerer gennem membranen, mens transportører er proteiner, der skal ændre form for at åbne sig, på grund af dette flytter transportører molekyler meget langsommere end kanaler gør.
En elektrokemisk gradient eller koncentrationsgradient er forskellen i koncentration af et kemisk molekyle eller ion i to adskilte regioner. Ved ligevægt vil ionkoncentrationerne i begge områder være lige store, så hvis der er forskel i koncentrationen, vil ionerne have en tendens til at strømme "ned" af koncentrationsgradienten – altså fra høj til lav koncentration. Ionkanaler tillader visse ioner, der kommer ind i kanalen, at strømme ned i deres koncentrationsgradient, hvilket udligner koncentrationer på hver side af cellemembranen. Ionkanaler og iontransportører opnår dette gennem faciliteret diffusion, som er en form for passiv transport. Imidlertid kan kun iontransportører også udføre aktiv transport , hvilket involverer at flytte ioner mod deres koncentrationsgradient ved hjælp af energikilder såsom ATP. Disse ioner kan derefter bruges af sekundære transportører eller andre proteiner som energikilde. [5]
Primære transportører bruger energi til at transportere ioner såsom Na + , K + og Ca 2+ over cellemembranen og kan skabe koncentrationsgradienter. Denne transport kan bruge ATP som energikilde, eller den kan bruges til at generere ATP gennem metoder såsom elektrontransportkæden i planter. [5] Denne transport kan bruge ATP som energikilde, eller den kan bruges til at generere ATP gennem metoder såsom elektrontransportkæden i planter. [5]
Aktive transportørerATP-brugende transportører omdanner ATP's energi til potentiel energi i form af en koncentrationsgradient. De bruger ATP til at flytte en ion fra et område med lav koncentration til et område med højere koncentration. Eksempler på ATP-brugende proteiner er: P-type ATPaser, der transporterer Na + -, K + - og Ca2 +-ioner ved phosphorylering ; A-type ATPaser, der bærer anioner; ABC-transportører (ATP-bindende kassettetransportere), der transporterer en lang række molekyler. Eksempler på P-type ATPase omfatter Na + /K + -ATPase , som er reguleret af Janus kinase 2 [6] , Ca 2+ , ATPase og Ca 2+ -ATPase, som er følsom over for ADP og ATP koncentrationer. P-glykoprotein er et eksempel på en ABC-transport, der binder proteiner i den menneskelige krop.
ATP-producerende transportørerATP-producerende transportører arbejder i modsat retning af ATP-brugende transportører. Disse proteiner bærer ioner fra høj til lav koncentration, men i processen dannes ATP. Således bruges potentiel energi i form af en koncentrationsgradient til at generere ATP. Hos dyr forekommer denne ATP-syntese i mitokondrierne ved hjælp af F-type ATPase , ellers kendt som ATP-syntase . Denne proces bruger elektrontransportkæden i en proces kaldet oxidativ phosphorylering . V-type ATPase udfører den modsatte funktion af F-type ATPase og bruges i planter til at hydrolysere ATP for at skabe en protongradient. Eksempler på dette er lysosomer, som bruger V-type ATPase til at forsure plantevesikler eller vakuoler under fotosynteseprocessen i kloroplaster. Denne proces kan styres ved forskellige metoder, såsom pH. [7]
Sekundære transportører bærer også ioner (eller små molekyler) mod en koncentrationsgradient fra lav til høj koncentration, men i modsætning til primære transportører, som bruger ATP til at skabe en koncentrationsgradient, bruger de potentiel energi fra koncentrationsgradienten skabt af primære transportører til at transportere ioner. For eksempel bruger den natriumafhængige glukosetransportør, der findes i tyndtarmen og nyrerne, natriumgradienten skabt i cellen af natrium-kalium-pumpen (som nævnt ovenfor) til at flytte glukose ind i cellen. Dette sker, når natrium strømmer ned ad koncentrationsgradienten, hvilket giver nok energi til at skubbe glukose op ad koncentrationsgradienten tilbage i cellen. Det er vigtigt for tyndtarmen og nyrerne at forhindre glukosetab. Symportere , såsom natrium-glucose-symporteren, transporterer en ion med dens koncentrationsgradient, og de binder transporten af et andet molekyle i samme retning. Antiportere bruger også koncentrationsgradienten af et molekyle til at flytte et andet op ad koncentrationsgradienten, men det bundne molekyle transporteres i den modsatte retning. [5]
Iontransportere kan styres på en række forskellige måder, såsom phosphorylering, allosterisk hæmning eller aktivering og følsomhed over for ionkoncentration. Brug af en proteinkinase til at tilføje en phosphatgruppe eller phosphataser til at dephosphorylere et protein kan ændre transportørens aktivitet. Hvorvidt et protein vil blive aktiveret eller hæmmet ved tilsætning af en fosfatgruppe afhænger af det specifikke protein. Ved allosterisk inhibering kan en regulatorisk ligand binde til et regulatorisk sted og enten inhibere eller aktivere transportøren. Iontransportører kan også reguleres af koncentrationen af ioner (ikke nødvendigvis dem, de bærer) i opløsning. For eksempel er elektrontransportkæden reguleret af tilstedeværelsen af H + (pH) ioner i opløsning. [5]
Den lokale potentialklemmemetode er en elektrofysiologisk metode, der bruges til at studere kanaler og bærere i celler ved at overvåge strømmen, der strømmer gennem dem. Denne metode blev udviklet af Hodgkin og Huxley, før eksistensen af kanaler og transportører blev kendt. [1] [8]
Røntgendiffraktionsanalyse er et praktisk værktøj, der giver dig mulighed for at visualisere strukturen af proteiner, men det er blot et øjebliksbillede af konformationen af et enkelt protein. Strukturen af transportproteiner giver forskerne mulighed for bedre at forstå, hvordan og hvad transportøren gør for at flytte molekyler hen over membranen. [9]
Denne metode bruges til at spore diffusionen af lipider eller proteiner i en membran. Nyttig til en bedre forståelse af mobiliteten af transportører i cellen og dens interaktion med lipiddomæner og lipidflåder i cellemembranen.
En metode, hvor fluorescens bruges til at spore afstanden mellem to proteiner. Bruges til at studere interaktionen mellem transportører og andre cellulære proteiner [1]
| Ioniske transportere |
|---|
| Neurotransmitter transporter |
| Glutamat transporter |
| Monoamin transporter |
| GABA transportere |
| Glycin transportere |
| Ligevægtsnukleosidtransportører |
| Ca 2+ -ATPase af plasmamembranen |
| natrium-calcium udveksler |
| Natriumklorid simporter |