Унипортеры: механизмы и роль в транспорте веществ через мембрану.
Uniporter
Унипортеры: белковые транспортеры клеточной мембраны для пассивного переноса веществ. Особенности, виды (каналы, переносчики) и механизм облегченной диффузии.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Унипортеры, также известные как переносчики растворенных веществ или облегченные транспортеры, представляют собой тип мембранного транспортного белка, который пассивно транспортирует растворенные вещества (мелкие молекулы, ионы или другие вещества) через клеточную мембрану. Для перемещения растворенных веществ по градиенту концентрации из области высокой концентрации в область низкой концентрации используется облегченная диффузия. В отличие от активного транспорта, для функционирования им не требуется энергия в форме АТФ. Унипортеры специализируются на переносе одного конкретного иона или молекулы и могут быть классифицированы как каналы или носители. Облегченная диффузия может происходить посредством трех механизмов: унипорта, симпорта или антипорта. Различие между каждым механизмом зависит от направления транспорта, при этом унипорт является единственным транспортом, не связанным с транспортом другого растворенного вещества. Белки-носители унипортеров работают, связываясь с одной молекулой или субстратом за раз. Каналы унипортеров открываются в ответ на стимул и обеспечивают свободное перемещение определенных молекул. Транспортеры аминокислот участвуют в транспортировке нейтральных аминокислот для производства нейротрансмиттеров в клетках мозга. Этот канал активируется градиентом напряжения, создаваемым натрий-калиевыми насосами. Когда мембрана достигает определенного напряжения, каналы открываются, что деполяризует мембрану и приводит к генерации потенциала действия, распространяющегося по мембране. Транспортеры глюкозы находятся в плазматической мембране и играют роль в транспортировке глюкозы. Они способствуют переносу глюкозы из крови или внеклеточного пространства в клетки, обычно для использования в метаболических процессах для получения энергии. В 1855 году физиолог Адольф Фик впервые определил осмос и простую диффузию как тенденцию растворенных веществ перемещаться из области более высокой концентрации в область более низкой концентрации, также известные как законы диффузии Фика. Благодаря работам Чарльза Овертона в 1890-х годах концепция полупроницаемости биологической мембраны стала важной для понимания регуляции поступления веществ в клетки и из них. Исследования по транспортировке глюкозы и других питательных веществ, проведенные в 1960-х и 1970-х годах, выявили специфичность и селективность мембранных транспортных белков. Технологические достижения в биохимии позволили изолировать и охарактеризовать эти белки из клеточных мембран. Генетические исследования на бактериях и дрожжах выявили гены, ответственные за кодирование транспортеров. Это привело к открытию транспортеров глюкозы (белков GLUT), причем GLUT1 был первым из охарактеризованных. Идентификация семейств генов, кодирующих различные транспортеры, таких как семейства переносчиков растворенных веществ (SLC), также расширила знания об унипортерах и их функциях.
Uniporters, also known as solute carriers or facilitated transporters, are a type of membrane transport protein that passively transports solutes (small molecules, ions, or other substances) across a cell membrane. It uses facilitated diffusion for the movement of solutes down their concentration gradient from an area of high concentration to an area of low concentration. Unlike active transport, it does not require energy in the form of ATP to function. Uniporters are specialized to carry one specific ion or molecule and can be categorized as either channels or carriers. Facilitated diffusion may occur through three mechanisms: uniport, symport, or antiport. The difference between each mechanism depends on the direction of transport, in which uniport is the only transport not coupled to the transport of another solute. Uniporter carrier proteins work by binding to one molecule or substrate at a time. Uniporter channels open in response to a stimulus and allow the free flow of specific molecules. The amino acid transporters function in transporting neutral amino acids for neurotransmitter production in brain cells. This channel is activated by a voltage gradient created by sodium potassium pumps. When the membrane reaches a certain voltage, the channels open, which depolarizes the membrane, leading to an action potential being sent down the membrane. Glucose transporters are found in the plasma membrane and play a role in transporting glucose. They help to bring glucose from the blood or extracellular space into cells usually to be utilized for metabolic processes in generating energy. In 1855, the physiologist Adolf Fick was the first to define osmosis and simple diffusion as the tendency for solutes to move from a region of higher concentration to a lower concentration, also very well known as Fick's Laws of Diffusion. Through the work of Charles Overton in the 1890s, the concept that the biological membrane is semipermeable became important to understanding the regulation of substances in and out of the cells. In the 1960s 1970s, studies on the transport of glucose and other nutrients highlighted the specificity and selectivity of membrane transport proteins. Technological advancements in biochemistry helped isolate and characterize these proteins from cell membranes. Genetic studies on bacteria and yeast identified genes responsible for encoding transporters. This led to the discovery of glucose transporters (GLUT proteins), with GLUT1 being the first to be characterized. Identification of gene families encoding various transporters, such as solute carrier (SLC) families, also advanced knowledge on uniporters and its functions.
Транспортер глюкозы (GLUT)
Транспортер глюкозы (GLUT) – это тип унипортера, отвечающий за облегченную диффузию молекул глюкозы через клеточные мембраны. Глюкоза является жизненно важным источником энергии для большинства живых клеток, однако из-за своего большого размера она не может свободно перемещаться через клеточную мембрану. Транспортер глюкозы специализируется на транспортировке глюкозы через мембрану. Белки GLUT имеют несколько типов изоформ, каждая из которых распределена в разных тканях и обладает различными кинетическими свойствами. У человека обнаружено четырнадцать белков GLUT. К GLUT I класса относятся GLUT1, одна из наиболее изученных изоформ, и GLUT2. Когда глюкоза связывается с транспортером глюкозы, белковые каналы меняют форму и претерпевают конформационные изменения, чтобы перенести глюкозу через мембрану. После отсоединения глюкозы белок возвращается к своей первоначальной форме. Транспортер глюкозы необходим для осуществления физиологических процессов, требующих высоких энергетических затрат в мозге, мышцах и почках, обеспечивая достаточное количество энергетического субстрата для метаболизма. Диабет, как пример состояния, связанного с метаболизмом глюкозы, подчеркивает важность регуляции поглощения глюкозы в управлении заболеванием.
The glucose transporter (GLUTs) is a type of uniporter responsible for the facilitated diffusion of glucose molecules across cell membranes. Glucose is a vital energy source for most living cells, however, due to its large size, it cannot freely move through the cell membrane. The glucose transporter is specialized in transporting glucose specifically across the membrane. The GLUT proteins have several types of isoforms, each distributed in different tissues and exhibiting different kinetic properties. Humans have been found to express fourteen GLUT proteins. Class I GLUTs include GLUT1, one of the most studied isoforms, and GLUT2. When glucose binds to the glucose transporter, the protein channels change shape and undergo a conformational change to transport the glucose across the membrane. Once the glucose unbinds, the protein returns to its original shape. The glucose transporter is essential for carrying out physiological processes that require high energy demands in the brain, muscles, and kidneys by providing an adequate amount of energy substrate for metabolism. Diabetes, an example of a condition that involves glucose metabolism, highlights the importance of the regulation of glucose uptake in disease management.
Митохондриальный инпортер Ca2+ (MCU)
Митохондриальный унипортер кальция (MCU) — это белковый комплекс, расположенный во внутренней митохондриальной матрице, который обеспечивает поступление ионов кальция (Ca2+) из цитоплазмы в матрицу. Транспорт ионов кальция специфически используется в клеточных функциях для регуляции выработки энергии в митохондриях, цитозольной сигнализации кальция и гибели клеток. Унипортер активируется при повышении уровня кальция в цитоплазме выше 1 мкМ. Эти субъединицы работают совместно, регулируя поглощение кальция в митохондриях. В частности, субъединица EMRE отвечает за транспорт кальция, а субъединица MICU – за строгую регуляцию активности MCU, предотвращающую перегрузку цитоплазмы ионами кальция. LAT1 облегчает транспорт аминокислот с большими разветвленными или ароматическими боковыми цепями. Этот аминокислотный транспортер обеспечивает перемещение незаменимых аминокислот в кишечный эпителий, плаценту и гематоэнцефалический барьер для осуществления клеточных процессов, таких как метаболизм и клеточная сигнализация. Транспортер особенно важен для центральной нервной системы, поскольку обеспечивает необходимые аминокислоты для синтеза белков и производства нейротрансмиттеров в клетках мозга. При переэкспрессии LAT1 наблюдается у людей при раке и его связывают с ролью в метаболизме раковых клеток.
The mitochondrial calcium uniporter (MCU) is a protein complex located in the inner mitochondrial matrix that functions to take up calcium ions (Ca2+) into the matrix from the cytoplasm. The transport of calcium ions is specifically used in cellular function for regulating energy production in the mitochondria, cytosolic calcium signaling, and cell death. The uniporter becomes activated when cytoplasmic levels of calcium rise above 1 uM. These subunits work together to regulate the uptake of calcium in the mitochondria. Specifically, the EMRE subunit functions for the transport of calcium, and the MICU subunit functions in tightly regulating the activity of MCU to prevent the overload of calcium concentrations in the cytoplasm. LAT1 favors the transport of amino acids with large branched or aromatic side chains. The amino acid transporter functions to move essential amino acids into the intestinal epithelium, placenta, and blood brain barrier for cellular processes such as metabolism and cell signaling. The transporter is of particular significance in the central nervous system as it provides the necessary amino acids for protein synthesis and neurotransmitter production in brain cells. Over expression of LAT1 has been found in human cancer and is associated with playing a role in cancer metabolism.