Ioninkuljettaja on kalvon läpi kulkeva proteiini , joka siirtää ioneja (tai pieniä molekyylejä) biologisen kalvon läpi suorittaakseen monia erilaisia biologisia toimintoja, mukaan lukien soluviestintä, homeostaasin ylläpitäminen, energiantuotanto jne. [1] Kuljettajia on erilaisia, mukaan lukien pumput. , uniporters , antiporters ja symporters . Aktiiviset kuljettajat tai ionipumput ovat kantajia, jotka muuttavat energiaa eri lähteistä, mukaan lukien adenosiinitrifosfaatti (ATP), auringonvalo ja muut redox-reaktiot , potentiaalienergiaksi liikuttaen ionia pitoisuusgradienttiaan pitkin . [2] Toissijaiset kuljettajat, mukaan lukien ionien kuljettajat ja ionikanavat , voivat käyttää tätä potentiaalista energiaa ohjaamaan tärkeitä soluprosesseja, kuten ATP-synteesiä .
Tämä artikkeli keskittyy ensisijaisesti pumppuina toimiviin ioninkuljettajiin, mutta kuljettajat voivat myös siirtää molekyylejä helpotetun diffuusion avulla. Helpotettu diffuusio ei vaadi ATP:tä ja sallii molekyylien, jotka eivät voi nopeasti diffundoitua kalvon läpi ( passiivinen diffuusio ), diffundoitua pitoisuusgradienttiaan näiden proteiinikantaja-aineiden läpi. Ioninkuljettajat ovat välttämättömiä solun asianmukaiselle toiminnalle, joten tutkijat tutkivat niitä useilla eri menetelmillä. Alla on esimerkkejä solujen säätelystä ja tutkimusmenetelmistä. [3]
Ioninkuljettajien superperheeseen kuuluu 12 perhettä [4] . Tämä perhejako on osa Kansainvälisen biokemian ja molekyylibiologian liiton käyttämää kuljetusluokitusjärjestelmää (TC). proteiinit ryhmitellään ominaisuuksien, kuten kuljetettujen substraattien, kuljetusmekanismin, käytetyn energialähteen, ja myös vertaamalla kunkin proteiinin muodostavia aminohapposekvenssejä. Tärkein yhdistävä tekijä on substraatin varautunut luonne, joka osoittaa ionin kulkeutumisen neutraalien hiukkasten sijaan. Ioninkuljettajat eroavat merkittävästi ionikanavista: kanavat ovat kalvon läpi kulkevia huokosia, kun taas kuljettajat ovat proteiineja, joiden täytyy muuttaa muotoaan avautuakseen, minkä vuoksi kuljettajat liikuttavat molekyylejä paljon hitaammin kuin kanavat.
Sähkökemiallinen gradientti tai pitoisuusgradientti on ero kemiallisen molekyylin tai ionin pitoisuudessa kahdella erillisellä alueella. Tasapainossa ionipitoisuudet molemmilla alueilla ovat yhtä suuret, joten jos pitoisuudessa on eroa, ionit pyrkivät virtaamaan "alas" pitoisuusgradienttia eli korkeasta alhaiseen pitoisuuteen. Ionikanavat sallivat tiettyjen kanavaan tulevien ionien virrata pitoisuusgradienttiaan alaspäin, mikä tasoittaa pitoisuudet solukalvon kummallakin puolella. Ionikanavat ja ioninkuljettajat saavuttavat tämän helpotetun diffuusion avulla, joka on passiivisen kuljetuksen muoto. Kuitenkin vain ioninkuljettajat voivat suorittaa myös aktiivista kuljetusta , joka sisältää ionien siirtämisen pitoisuusgradienttiaan vastaan käyttämällä energialähteitä, kuten ATP:tä. Toissijaiset kuljettajat tai muut proteiinit voivat sitten käyttää näitä ioneja energialähteenä. [5]
Primaariset kuljettajat käyttävät energiaa kuljettaakseen ioneja, kuten Na + , K + ja Ca 2+ , solukalvon läpi ja voivat luoda pitoisuusgradientteja. Tämä kuljetus voi käyttää ATP:tä energialähteenä tai sitä voidaan käyttää ATP:n tuottamiseen menetelmillä, kuten elektronien kuljetusketjulla kasveissa. [5] Tämä kuljetus voi käyttää ATP:tä energialähteenä tai sitä voidaan käyttää ATP:n tuottamiseen menetelmillä, kuten elektronien kuljetusketjulla kasveissa. [5]
Aktiiviset kuljettajatATP:tä käyttävät kuljettajat muuttavat ATP:n energian potentiaalienergiaksi pitoisuusgradientin muodossa. He käyttävät ATP:tä ionin siirtämiseen alhaisen pitoisuuden alueelta korkeamman pitoisuuden alueelle. Esimerkkejä ATP:tä käyttävistä proteiineista ovat: P-tyypin ATPaasit, jotka kuljettavat Na + - , K +- ja Ca2 +-ioneja fosforyloimalla ; A-tyypin ATPaasit, jotka kuljettavat anioneja; ABC-kuljettajat (ATP:tä sitovat kasettikuljettajat), jotka kuljettavat monenlaisia molekyylejä. Esimerkkejä P-tyypin ATPaasista ovat Na + /K + -ATPaasi , jota säätelee Janus-kinaasi 2 [6] , Ca 2+ , ATPaasi ja Ca 2+ -ATPaasi, joka on herkkä ADP:lle ja ATP:lle. pitoisuudet. P-glykoproteiini on esimerkki ABC-kuljetuksesta, joka sitoo proteiineja ihmiskehossa.
ATP:tä tuottavat kuljettajatATP:tä tuottavat kuljettajat toimivat päinvastaiseen suuntaan kuin ATP:tä käyttävät kuljettajat. Nämä proteiinit kuljettavat ioneja korkeasta alhaiseen, mutta prosessissa muodostuu ATP:tä. Siten potentiaalienergiaa pitoisuusgradientin muodossa käytetään ATP:n tuottamiseen. Eläimillä tämä ATP-synteesi tapahtuu mitokondrioissa käyttämällä F-tyypin ATPaasia , joka tunnetaan myös nimellä ATP-syntaasi . Tämä prosessi käyttää elektronien kuljetusketjua prosessissa, jota kutsutaan oksidatiiviseksi fosforylaatioksi . V-tyypin ATPaasi suorittaa päinvastaisen toiminnon kuin F-tyypin ATPaasi, ja sitä käytetään kasveissa ATP:n hydrolysoimiseen protonigradientin luomiseksi. Esimerkkejä tästä ovat lysosomit, jotka käyttävät V-tyypin ATPaasia happamoittamaan kasvien rakkuloita tai vakuoleja fotosynteesiprosessin aikana kloroplasteissa. Tätä prosessia voidaan ohjata erilaisilla menetelmillä, kuten pH:lla. [7]
Toissijaiset kuljettajat kuljettavat myös ioneja (tai pieniä molekyylejä) pitoisuusgradienttia vastaan matalasta korkeaan pitoisuuteen, mutta toisin kuin primaariset kuljettajat, jotka käyttävät ATP:tä pitoisuusgradientin luomiseen, ne käyttävät potentiaalienergiaa primaaristen kuljettajien luomasta pitoisuusgradientista ionien kuljettamiseen. Esimerkiksi ohutsuolesta ja munuaisista löytyvä natriumista riippuvainen glukoosinkuljettaja käyttää natrium-kaliumpumpun (kuten edellä mainittiin) soluun luomaa natriumgradienttia glukoosin siirtämiseen soluun. Tämä tapahtuu, kun natrium virtaa alas pitoisuusgradienttia pitkin tarjoten tarpeeksi energiaa työntääkseen glukoosia pitoisuusgradienttia pitkin takaisin soluun. Ohutsuolen ja munuaisten kannalta on tärkeää estää glukoosin menetys. Symportoijat , kuten natrium-glukoosisymportteri, kuljettavat ionia sen pitoisuusgradientilla ja sitovat toisen molekyylin kuljetuksen samaan suuntaan. Antiportterit käyttävät myös yhden molekyylin pitoisuusgradienttia siirtääkseen toisen pitoisuusgradienttia ylöspäin, mutta sitoutunut molekyyli kulkeutuu vastakkaiseen suuntaan. [5]
Ioninkuljettajia voidaan ohjata useilla tavoilla, kuten fosforylaatiolla, allosteerisella inhibitiolla tai aktivaatiolla ja herkkyydellä ionipitoisuudelle. Proteiinikinaasin käyttäminen fosfaattiryhmän tai fosfataasien lisäämiseen proteiinin defosforyloimiseksi voi muuttaa kuljettajan aktiivisuutta. Se, aktivoituuko vai inhiboituuko proteiini lisäämällä fosfaattiryhmä, riippuu tietystä proteiinista. Allosteerisessa estämisessä säätelyligandi voi sitoutua säätelykohtaan ja joko inhiboida tai aktivoida kuljettajaa. Ioninkuljettajia voidaan myös säädellä liuoksessa olevien ionien (ei välttämättä niiden kuljettamien) pitoisuudella. Esimerkiksi elektronien kuljetusketjua säätelee H + (pH) -ionien läsnäolo liuoksessa. [5]
Paikallinen potentiaalipuristinmenetelmä on sähköfysiologinen menetelmä, jolla tutkitaan solujen kanavia ja kantajia seuraamalla niiden läpi kulkevaa virtaa. Tämän menetelmän kehittivät Hodgkin ja Huxley ennen kuin kanavien ja kuljettimien olemassaolo tuli tunnetuksi. [1] [8]
Röntgendiffraktioanalyysi on kätevä työkalu, jonka avulla voit visualisoida proteiinien rakenteen, mutta se on vain tilannekuva yksittäisen proteiinin konformaatiosta. Kuljetusproteiinien rakenteen ansiosta tutkijat voivat paremmin ymmärtää, miten ja mitä kuljettaja tekee siirtääkseen molekyylejä kalvon läpi. [9]
Tätä menetelmää käytetään lipidien tai proteiinien diffuusion seuraamiseen kalvossa. Hyödyllinen ymmärtämään paremmin kuljettajien liikkuvuutta solussa ja sen vuorovaikutusta lipididomeenien ja lipidilauttojen kanssa solukalvossa.
Menetelmä, jossa fluoresenssia käytetään kahden proteiinin välisen etäisyyden seuraamiseen. Käytetään tutkimaan kuljettajien vuorovaikutusta muiden soluproteiinien kanssa [1]
| Ioniset kuljettajat |
|---|
| Neurotransmitterin kuljettaja |
| Glutamaatin kuljettaja |
| Monoamiinin kuljettaja |
| GABA-kuljettimet |
| Glysiinin kuljettajat |
| Tasapainon nukleosidin kuljettajat |
| Plasmakalvon Ca 2+ -ATPaasi |
| natrium-kalsium-vaihdin |
| Natriumkloridi simporter |