Введение

Тип мембранных транспортных белков. Котранспортеры – это подкатегория мембранных транспортных белков (транспортеров), которые связывают движение одной молекулы по ее градиенту концентрации (благоприятное движение) с движением другой молекулы против ее градиента концентрации (неблагоприятное движение). Они обеспечивают сопряженную или котранспортную транспортировку (вторичный активный транспорт) и включают антипортеры и симпортеры. В общем случае, котранспортеры состоят из двух из трех классов интегральных мембранных белков, известных как транспортеры, которые перемещают молекулы и ионы через биомембраны. Унипортеры также являются транспортерами, но перемещают только один тип молекулы по ее градиенту концентрации и не классифицируются как котранспортеры.

Предыстория

Котранспортеры способны перемещать растворенные вещества как по градиенту, так и против него со скоростью от 1000 до 100 000 молекул в секунду. Они могут функционировать как каналы или транспортеры, в зависимости от условий проведения анализа. Перемещение происходит за счет связывания двух молекул или ионов одновременно и использования градиента концентрации одного растворенного вещества для перемещения другого против его градиента. Некоторые исследования показывают, что котранспортеры могут функционировать как ионные каналы, что противоречит классическим моделям. Например, транспортер HKT1 пшеницы демонстрирует два режима транспорта с помощью одного и того же белка. Котранспортеры классифицируются на антипортеры и симпортеры. Оба используют электрический потенциал и/или химические градиенты для перемещения протонов и ионов против их градиента концентрации. У растений протон рассматривается как вторичный переносчик, и высокая концентрация протонов в апопласте обеспечивает перемещение определенных ионов внутрь клетки симпортерами. Протонный градиент перемещает ионы в вакуоль с помощью протонового антипортера натрия или протонового антипортера кальция. У растений транспорт сахарозы распределяется по всему растению протоновым насосом, который, как обсуждалось выше, создает градиент протонов, при котором их концентрация значительно выше с одной стороны мембраны, чем с другой. При диффузии протонов обратно через мембрану, высвобождаемая при этом свободная энергия используется для ко-транспорта сахарозы. У млекопитающих глюкоза транспортируется с помощью натрий-зависимых транспортеров глюкозы, которые используют энергию в этом процессе. Поскольку глюкоза и натрий транспортируются в одном направлении через мембрану, они классифицируются как симпортеры. Первая гипотеза о системе транспорта глюкозы была предложена доктором Робертом К. Крейном в 1960 году, что будет рассмотрено далее в статье.

История

Доктор Роберт К. Крейн, выпускник Гарвардского университета, уже довольно долгое время занимался биохимией углеводов. Его опыт в области биохимии глюкозо-6-фосфата, фиксации углекислого газа, изучения гексокиназы и фосфатов подтолкнул его к гипотезе о совместном транспорте глюкозы и натрия через кишечник. На фотографии справа – доктор Крейн с его схемой системы котранспорта, которую он представил в 1960 году на международной конференции по мембранному транспорту и метаболизму. Его исследования были подтверждены другими группами и в настоящее время используются как классическая модель для понимания механизмов котранспорта.

Механизм

Антипортеры и симпортеры одновременно транспортируют два или более различных типа молекул в согласованном движении. Энергетически невыгодное перемещение одной молекулы сочетается с энергетически выгодным перемещением другой молекулы или ионов, чтобы обеспечить энергию, необходимую для транспорта. Этот тип транспорта известен как вторичный активный транспорт и осуществляется за счет энергии, получаемой из градиента концентрации ионов/молекул через мембрану, в которую встроен белок-котранспортер. В одной конформации белок имеет связывающий центр (или центры в случае симпортеров), обращенный к одной стороне мембраны. После связывания как молекулы, которую необходимо транспортировать по градиенту, так и молекулы, перемещаемой по градиенту, происходит конформационное изменение. Это изменение экспонирует связанные субстраты на противоположной стороне мембраны, где они диссоциируют. Для возникновения конформационного изменения необходимо одновременное связывание молекулы и катиона. Этот механизм был впервые предложен Олегом Жардецким в 1966 году. Этот цикл конформационных изменений переносит только один ион субстрата за раз, что приводит к относительно низкой скорости транспорта (от 100 до 10⁴ ионов или молекул в секунду) по сравнению с другими транспортными белками, такими как ионные каналы. Клетки также содержат антипортеры анионов, такие как белок транспорта анионов Band 3 (или AE1). Этот котранспортер является важным интегральным белком в эритроцитах млекопитающих и перемещает ионы хлорида и бикарбоната в соотношении один к одному через плазматическую мембрану, основываясь исключительно на градиенте концентрации этих двух ионов. Антипортер AE1 играет важную роль в удалении отходов углекислого газа, который преобразуется в бикарбонат внутри эритроцита.

Симпортеры

В отличие от антипортеров, симпортеры перемещают ионы или молекулы в одном направлении.

Примеры сотранспортеров

Котранспортер Na+/глюкозы (SGLT1) также известен как котранспортер натрия и глюкозы 1 и кодируется геном SLC5A1. SGLT1 является электрогенным транспортером, поскольку электрохимический градиент натрия обеспечивает транспорт глюкозы в клетки против концентрационного градиента. SGLT1 – это котранспортер Na+/глюкозы с высокой аффинностью, играющий важную роль в переносе сахара через эпителиальные клетки проксимальных канальцев почек и кишечника, особенно тонкого кишечника. Котранспортер Na+/фосфата (NaPi) – Котранспортеры фосфата натрия относятся к семействам белков SLC34 и SLC20. Они также обнаружены в эпителиальных клетках проксимальных канальцев почек и тонкой кишки. Они переносят неорганический фосфат в клетки посредством активного транспорта с использованием градиента Na+. Подобно SGLT1, они классифицируются как электрогенные транспортеры. NaPi, связанный с 3 ионами Na+ и 1 валентным ионом фосфата (Pi), классифицируется как NaPi IIa и NaPi IIb. NaPi, взаимодействующий с 2 ионами Na+ и 1 валентным ионом Pi, классифицируется как NaPi IIc. Na+/I− симпортер (NIS) – Симпортёр йодида натрия является типом симпортера, ответственным за транспорт йодида в щитовидной железе. NIS преимущественно содержится в клетках щитовидной железы, а также в молочных железах. Он локализуется на базалатеральной мембране фолликулярных клеток щитовидной железы, где 2 иона Na+ и 1 ион I− координированно участвуют в транспорте йодида. Активность NIS помогает в диагностике и лечении заболеваний щитовидной железы, включая высокоэффективное лечение рака щитовидной железы радиоактивным йодом после тиреоидэктомии. Симпортёр Na K 2Cl – Этот специфический котранспортер регулирует объем клетки, контролируя содержание воды и электролитов внутри клетки. Котранспортер Na K 2Cl имеет важное значение для секреции соли в секреторных эпителиальных клетках, а также для реабсорбции соли в почках. Существуют две вариации симпортера Na K 2Cl, известные как NKCC1 и NKCC2. NKCC1 котранспортный белок обнаружен во всем организме, в то время как NKCC2 находится только в почках и удаляет натрий, калий и хлорид из мочи, чтобы они могли быть реабсорбированы в кровь. Транспортеры ГАМК (GAT) – Нейротрансмиттеры γ-аминомасляной кислоты (ГАМК) являются членами семейства 6 (SLC6) растворителей носителей, представляющих собой транспортеры рецепторов нейротрансмиттеров, зависимые от натрия и хлорида, расположенные в плазматической мембране и регулирующие концентрацию ГАМК в синаптической щели. Ген SLC6A1 кодирует транспортеры ГАМК. Эти транспортеры электрогенны и обеспечивают совместный транспорт 2 Na+, 1 Cl− и 1 ГАМК внутрь клетки. K+Cl− симпортер – Семейство котранспортеров K+Cl− состоит из четырех специфических симпортеров, известных как KCC1, KCC2, KCC3 и KCC4. Изоформа KCC2 специфична для нейронной ткани, а остальные три можно обнаружить в различных тканях по всему организму. Это семейство котранспортеров контролирует концентрацию калия и хлорида в клетках посредством совместного движения K+/H+ и Cl−/HCO3− обменивателей или посредством совместного движения обоих ионов через каналы, активируемые концентрацией. Четыре известных белка KCC объединяются, образуя два отдельных подсемейства: KCC1 и KCC3 образуют одну пару, а KCC2 и KCC4 – другую, чтобы облегчить транспорт ионов.