En jontransportör är ett transmembranprotein som flyttar joner (eller små molekyler) över ett biologiskt membran för att utföra många olika biologiska funktioner, inklusive cellulär kommunikation, upprätthålla homeostas, energiproduktion, etc. [1] Det finns olika typer av transportörer, inklusive pumpar , uniporters , antiporters och symporters. Aktiva transportörer, eller jonpumpar, är bärare som omvandlar energi från olika källor, inklusive adenosintrifosfat (ATP), solljus och andra redoxreaktioner , till potentiell energi och förflyttar en jon längs dess koncentrationsgradient . [2] Denna potentiella energi kan sedan användas av sekundära transportörer, inklusive jontransportörer och jonkanaler , för att driva vitala cellulära processer som ATP-syntes .
Den här artikeln fokuserar främst på jontransportörer som fungerar som pumpar, men transportörer kan också flytta molekyler genom underlättad diffusion. Underlättad diffusion kräver inte ATP och tillåter molekyler som inte snabbt kan diffundera över membranet ( passiv diffusion ) att diffundera ner i sin koncentrationsgradient genom dessa proteinbärare. Jontransportörer är avgörande för att cellen ska fungera korrekt, så de studeras av forskare som använder en mängd olika metoder. Nedan följer några exempel på cellulär reglering och forskningsmetoder. [3]
Superfamiljen av jontransportörer omfattar 12 familjer [4] . Denna familjeindelning är en del av transportklassificeringssystemet (TC) som används av International Union of Biochemistry and Molecular Biology; proteiner grupperas efter egenskaper som transporterade substrat, transportmekanism, energikälla som används, och även genom att jämföra aminosyrasekvenserna som utgör varje protein. Den viktigaste sammanhållande faktorn är substratets laddade natur, vilket indikerar transport av en jon snarare än neutrala partiklar. Jontransportörer skiljer sig avsevärt från jonkanaler: kanaler är porer som passerar genom membranet, medan transportörer är proteiner som måste ändra form för att öppna, på grund av detta flyttar transportörer molekyler mycket långsammare än vad kanaler gör.
En elektrokemisk gradient, eller koncentrationsgradient, är skillnaden i koncentration av en kemisk molekyl eller jon i två distinkta regioner. Vid jämvikt kommer jonkoncentrationerna i båda regionerna att vara lika, så om det finns en skillnad i koncentration kommer jonerna att tendera att flöda "nedåt" i koncentrationsgradienten - det vill säga från hög till låg koncentration. Jonkanaler tillåter vissa joner som kommer in i kanalen att strömma ner i sin koncentrationsgradient, vilket utjämnar koncentrationerna på vardera sidan av cellmembranet. Jonkanaler och jontransportörer uppnår detta genom underlättad diffusion, vilket är en form av passiv transport. Men bara jontransportörer kan också utföra aktiv transport , vilket innebär att joner flyttas mot sin koncentrationsgradient med hjälp av energikällor som ATP. Dessa joner kan sedan användas av sekundära transportörer eller andra proteiner som energikälla. [5]
Primära transportörer använder energi för att transportera joner som Na + , K + och Ca 2+ över cellmembranet och kan skapa koncentrationsgradienter. Denna transport kan använda ATP som energikälla, eller så kan den användas för att generera ATP genom metoder som elektrontransportkedjan i växter. [5] Denna transport kan använda ATP som energikälla eller så kan den användas för att generera ATP genom metoder som elektrontransportkedjan i växter. [5]
Aktiva transportörerATP-användande transportörer omvandlar energin från ATP till potentiell energi i form av en koncentrationsgradient. De använder ATP för att flytta en jon från ett område med låg koncentration till ett område med högre koncentration. Exempel på ATP-användande proteiner är: ATPaser av P-typ som transporterar Na +- , K +- och Ca2 +-joner genom fosforylering ; A-typ ATPaser som bär anjoner; ABC-transportörer (ATP-bindande kassetttransportörer) som transporterar ett brett spektrum av molekyler. Exempel på ATPas av P-typ inkluderar Na + /K + -ATPas , som regleras av Janus kinas 2 [6] , Ca 2+ , ATPas och Ca 2+ -ATPas, som är känsligt för ADP och ATP koncentrationer. P-glykoprotein är ett exempel på en ABC-transport som binder proteiner i människokroppen.
ATP-producerande transportörerATP-producerande transportörer arbetar i motsatt riktning mot ATP-användande transportörer. Dessa proteiner bär joner från hög till låg koncentration, men i processen bildas ATP. Således används potentiell energi i form av en koncentrationsgradient för att generera ATP. Hos djur sker denna ATP-syntes i mitokondrierna med användning av ATPas av F-typ , annars känd som ATP-syntas . Denna process använder elektrontransportkedjan i en process som kallas oxidativ fosforylering . ATPas av V-typ utför motsatt funktion av ATPas av F-typ och används i växter för att hydrolysera ATP för att skapa en protongradient. Exempel på detta är lysosomer, som använder V-typ ATPas för att surgöra växtvesiklar eller vakuoler under fotosyntesprocessen i kloroplaster. Denna process kan styras med olika metoder, såsom pH. [7]
Sekundära transportörer bär också joner (eller små molekyler) mot en koncentrationsgradient från låg till hög koncentration, men till skillnad från primära transportörer, som använder ATP för att skapa en koncentrationsgradient, använder de potentiell energi från koncentrationsgradienten som skapas av primära transportörer för att transportera joner. Till exempel använder den natriumberoende glukostransportören som finns i tunntarmen och njurarna den natriumgradient som skapas i cellen av natrium-kaliumpumpen (som nämnts ovan) för att flytta glukos in i cellen. Detta händer när natrium strömmar ner i koncentrationsgradienten, vilket ger tillräckligt med energi för att driva glukos uppåt i koncentrationsgradienten tillbaka in i cellen. Det är viktigt för tunntarmen och njurarna att förhindra glukosförlust. Symporter , såsom natrium-glukos symporter, transporterar en jon med dess koncentrationsgradient, och de binder transporten av en andra molekyl i samma riktning. Antiporters använder också koncentrationsgradienten för en molekyl för att flytta en annan uppåt i koncentrationsgradienten, men den bundna molekylen transporteras i motsatt riktning. [5]
Jontransportörer kan kontrolleras på en mängd olika sätt, såsom fosforylering, allosterisk hämning eller aktivering och känslighet för jonkoncentration. Att använda ett proteinkinas för att lägga till en fosfatgrupp eller fosfataser för att defosforylera ett protein kan förändra transportörens aktivitet. Huruvida ett protein kommer att aktiveras eller hämmas genom tillsats av en fosfatgrupp beror på det specifika proteinet. Vid allosterisk inhibering kan en regulatorisk ligand binda till ett regulatoriskt ställe och antingen hämma eller aktivera transportören. Jontransportörer kan också regleras av koncentrationen av joner (inte nödvändigtvis de de bär) i lösning. Till exempel regleras elektrontransportkedjan av närvaron av H + (pH) joner i lösning. [5]
Den lokala potentialklämmetoden är en elektrofysiologisk metod som används för att studera kanaler och bärare i celler genom att övervaka strömmen som flyter genom dem. Denna metod utvecklades av Hodgkin och Huxley innan existensen av kanaler och transportörer blev känd. [1] [8]
Röntgendiffraktionsanalys är ett praktiskt verktyg som låter dig visualisera strukturen av proteiner, men det är bara en ögonblicksbild av konformationen av ett enda protein. Strukturen hos transportproteiner gör det möjligt för forskare att bättre förstå hur och vad transportören gör för att flytta molekyler över membranet. [9]
Denna metod används för att spåra diffusionen av lipider eller proteiner i ett membran. Användbar för en bättre förståelse av transportörernas rörlighet i cellen och dess interaktion med lipiddomäner och lipidflottar i cellmembranet.
En metod där fluorescens används för att spåra avståndet mellan två proteiner. Används för att studera interaktionen mellan transportörer och andra cellulära proteiner [1]
| Joniska transportörer |
|---|
| Neurotransmittertransportör |
| Glutamattransportör |
| Monoamin transportör |
| GABA transportörer |
| Glycintransportörer |
| Jämviktsnukleosidtransportörer |
| Ca 2+ -ATPas i plasmamembranet |
| natrium-kalciumväxlare |
| Natriumklorid simporter |