Введение

Транспортные белки – биохимические протонные насосы.

Протонный насос – это интегральный мембранный белковый насос, создающий протонный градиент через биологическую мембрану. Протонные насосы катализируют следующую реакцию:

[с одной стороны биологической мембраны] + энергия → [с другой стороны мембраны]

Механизмы основаны на конформационных изменениях структуры белка, индуцированных энергией, или на Q-цикле. В ходе эволюции протонные насосы возникали независимо друг от друга многократно. Таким образом, как в природе, так и внутри отдельных клеток можно обнаружить различные протонные насосы, не связанные эволюционно. Протонные насосы подразделяются на различные основные классы, использующие разные источники энергии, имеющие различный полипептидный состав и эволюционное происхождение.

Функция

Транспорт положительно заряженного протона, как правило, является электрогенным, то есть он генерирует электрическое поле через мембрану, также называемое мембранным потенциалом. Транспорт протонов становится электрогенным, если он не нейтрализуется электрически транспортом соответствующего отрицательного заряда в том же направлении или соответствующего положительного заряда в противоположном направлении. Примером протонного насоса, который не является электрогенным, является протонно-калиевый насос слизистой оболочки желудка, который катализирует сбалансированный обмен протонами и ионами калия. Комбинированный трансмембранный градиент протонов и зарядов, создаваемый протонными насосами, называется электрохимическим градиентом. Электрохимический градиент представляет собой запас энергии (потенциальной энергии), который может быть использован для осуществления множества биологических процессов, таких как синтез АТФ, поглощение питательных веществ и формирование потенциала действия. При клеточном дыхании протонный насос использует энергию для транспортировки протонов из матрикса митохондрии в межмембранное пространство. Это активный насос, который создает градиент концентрации протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану, поскольку концентрация протонов снаружи матрикса выше, чем внутри. Разница в pH и электрическом заряде (не учитывая различия в буферной емкости) создает электрохимическую разность потенциалов, которая работает аналогично батарее или накопителю энергии для клетки. Этот процесс также можно рассматривать как аналогичный подъему в гору на велосипеде или зарядке батареи для последующего использования, поскольку он производит потенциальную энергию. Протонный насос не создает энергию, а формирует градиент, который накапливает энергию для последующего использования.

Разнообразие

Энергия, необходимая для реакции перекачки протонов, может поступать из света (энергии света; бактериородопсинов), переноса электронов (электрической энергии; комплексов электронного транспорта I, III и IV) или богатых энергией метаболитов (химической энергии), таких как пирофосфат (PPi; протонный пирофосфатазный насос) или аденозинтрифосфат (АТФ; протонные АТФазы).

Комплекс переноса электронов I

Комплекс I (EC 1.6.5.3) (также называемый NADH:убихинон оксидоредуктазой или, особенно в контексте человеческого белка, NADH-дегидрогеназой) — это протонный насос, работающий за счет транспорта электронов. Он принадлежит к семейству H+ или Na+ транслоцирующих NADH-дегидрогеназ (NDH) (TC# 3.D.1), входящему в суперсемейство Na+-транспортеров Mrp. Он катализирует перенос электронов от NADH к коэнзиму Q10 (CoQ10) и, у эукариот, локализуется во внутренней митохондриальной мембране. Этот фермент способствует созданию трансмембранной разности протонового электрохимического потенциала, который затем используется АТФ-синтазой для синтеза АТФ.

Комплекс переноса электронов III

Комплекс III (EC 1.10.2.2) (также называемый цитохром bc1 или коэнзим Q: цитохром c-оксидоредуктаза) – это протонный насос, работающий за счет транспорта электронов. Комплекс III представляет собой многосубъединичный трансмембранный белок, кодируемый как митохондриальным (цитохром b), так и ядерным геномом (всеми остальными субъединицами). Комплекс III присутствует во внутренней митохондриальной мембране всех аэробных эукариот и во внутренней мембране большинства эубактерий. Этот фермент способствует созданию трансмембранной разности электрохимического потенциала протонов, которую затем АТФ-синтаза митохондрий использует для синтеза АТФ.

Комплекс цитохрома b6f

Комплекс цитохрома b6f (EC 1.10.99.1) (также называемый пластохинол-пластоцианиноредуктазой) — это фермент, родственный комплексу III, но находящийся в тилакоидной мембране хлоропластов растений, цианобактерий и зелёных водорослей. Этот протонный насос приводится в действие транспортом электронов и катализирует перенос электронов от пластохинола к пластоцианину. Реакция аналогична реакции, катализируемой комплексом III (цитохром bc1) митохондриальной цепи переноса электронов. Этот фермент способствует созданию трансмембранной разности протонового электрохимического потенциала, который затем используется АТФ-синтазой хлоропластов для синтеза АТФ.

Комплекс IV для транспортировки электронов

Комплекс IV (EC 1.9.3.1) (также называемый цитохром c оксидазой) — это протонный насос, работающий за счет транспорта электронов. Этот фермент представляет собой крупный трансмембранный белковый комплекс, обнаруженный у бактерий и во внутренней митохондриальной мембране эукариот. Он принимает по одному электрону от каждой из четырех молекул цитохрома c и передает их одной молекуле кислорода, превращая молекулярный кислород в две молекулы воды. В ходе этого процесса он связывает четыре протона из внутренней водной фазы для образования воды и дополнительно переносит четыре протона через мембрану. Этот фермент способствует созданию трансмембранной разности электрохимического потенциала протонов, которую затем АТФ-синтаза митохондрий использует для синтеза АТФ.

Протонные насосы на основе АТФ

Протонные насосы, работающие на аденозинтрифосфате (АТФ), также известные как протонные АТФазы или АТФазы, представляют собой протонные насосы, функционирующие за счет гидролиза аденозинтрифосфата (АТФ). В природе обнаружены три класса протонных АТФаз. В одной клетке (например, грибковой или растительной) могут присутствовать представители всех трех групп протонных АТФаз.

Протонная АТФаза P-типа

Плазменная мембранная АТФаза – это односубъединичная АТФаза P-типа, обнаруженная в плазменной мембране растений, грибов, протистов и многих прокариот. Плазменная мембранная АТФаза создает электрохимические градиенты в плазменной мембране растений, грибов, протистов и многих прокариот. Эти градиенты протонов используются для обеспечения вторичного транспорта. Таким образом, она необходима для поглощения большинства метаболитов, а также для реакций на окружающую среду (например, движения листьев у растений). У человека (и, вероятно, у других млекопитающих) есть желудочная водородно-калиевая АТФаза или H+/K+ АТФаза, которая также принадлежит к семейству АТФаз P-типа. Этот фермент функционирует как протонный насос желудка, в основном ответственный за подкисление содержимого желудка (см. желудочный сок).

Протонная АТФаза V-типа

Протонная АТФаза типа V — это многосубъединичный фермент V-типа. Она обнаружена в различных мембранах, где выполняет функцию подкисления внутриклеточных органелл или внеклеточного пространства.

Протонная АТФаза F-типа

Протонная АТФ-аза типа F – это многосубъединичный фермент F-типа (также называемый АТФ-синтазой или FOF1-АТФазой). Он находится во внутренней мембране митохондрий, где функционирует как АТФ-синтаза, работающая за счет транспорта протонов. В митохондриях энергия, высвобождаемая при переносе электронов или фотосинтезе, обеспечивает эту транслокацию протонов. Например, транслокация протонов цитохром c-оксидазой обеспечивается восстановительными эквивалентами, предоставляемыми восстановленным цитохромом c. Сам АТФ обеспечивает этот транспорт в плазменной мембранной протонной АТФазе и в протонных насосах АТФазы других клеточных мембран. В отличие от этого, FoF1-АТФ-синтаза митохондрий обычно проводит протоны от области высокой концентрации к области низкой концентрации через мембрану, используя энергию этого потока для синтеза АТФ. Протоны перемещаются через внутреннюю митохондриальную мембрану по протонному каналу. Эта последовательность конформационных изменений, передаваемая через субъединицы a и b частицы FO, вызывает последовательность конформационных изменений в стебле, соединяющем FO с субъединицей F1. Этот процесс эффективно связывает транслокацию протонов с механическим движением между состояниями «свободное», «плотно связанное» и «открытое» F1, необходимыми для фосфорилирования АДФ. В бактериях и АТФ-продуцирующих органеллах, отличных от митохондрий, восстановительные эквиваленты, предоставляемые переносом электронов или фотосинтезом, обеспечивают транслокацию протонов. CF1-АТФ-лигаза хлоропластов соответствует человеческой FOF1-АТФ-синтазе у растений.

Протонные насосы с пирофосфатом

Протонно-насосная пирофосфатаза (также называемая H PPase или вакуолярным типом неорганических пирофосфатаз (V PPase; V обозначает вакуолярный)) — это протонный насос, работающий за счет гидролиза неорганического пирофосфата (PPi). У растений H PPase локализована в вакуолярной мембране (тонопласт). Эта мембрана растений содержит два различных протонных насоса для подкисления содержимого вакуоли: V PPase и V АТФазу.

Протонные насосы с легким приводом

Бактериородопсин — это световой протонный насос, используемый археями, в особенности галоархеями. Свет поглощается пигментом ретиналем, ковалентно связанным с белком, что вызывает конформационное изменение молекулы, которое передается белку-насосу, обеспечивающему перекачку протонов.