کدام یک از اجزای سلولی ، تعداد زیادی پمپ های پروتون وابسته به ATP دارد ؟

شرح اجزای سلول که تعداد زیادی پمپ پروتون وابسته به ATP

اکنون به سراغ پمپ های مجهز به ATP می رویم که یون ها و مولکول های کوچک مختلف را در برابر شیب غلظت آنها حمل می کنند. ساختارهای کلی چهار کلاس اصلی این پروتئین های حمل و نقل در شکل 15-10 نشان داده شده است و خصوصیات آنها در جدول 15-2 خلاصه شده است . توجه داشته باشید که کلاسهای P ، F و V فقط یونها را حمل می کنند ، در حالی که کلاس فوق خانواده ABC مولکولهای کوچک و همچنین یونها را حمل می کند.

شکل 15-10

چهار کلاس پروتئین حمل و نقل مجهز به ATP. پمپ های کلاس P از دو پلی پپتید مختلف α و β تشکیل شده اند و به عنوان بخشی از چرخه حمل و نقل فسفریله می شوند. توالی باقی مانده فسفریله ، واقع در (بیشتر …)

جدول 15-2

مقایسه کلاسهای اصلی پمپ های یونی و مولکول کوچک با انرژی ATP.

پمپ های یونی کلاس P شامل یک زیر واحد α کاتالیزوری غشایی است که حاوی یک سایت اتصال ATP است و معمولاً یک زیر واحد β کوچکتر است که ممکن است عملکردهای نظارتی داشته باشد. بسیاری از این پمپ ها چهار قطبی هستند که از دو زیر واحد α و دو β تشکیل شده اند. در طول فرآیند حمل و نقل ، حداقل یکی از زیرواحدهای α فسفریله می شود (از این رو برچسب “P”) ، و تصور می شود که یونهای حمل شده از طریق زیر واحد فسفریله شده حرکت می کنند. این کلاس شامل سدیم + / K + ATPase را در غشای پلاسمایی ، که به حفظ سدیم + و K + شیب معمولی از سلولهای حیوانی، و چند کلسیم 2+ ATPases، که پمپ کلسیم 2+یونها از سیتوزول به محیط خارجی یا به لومن شبکه سارکوپلاسمی (SR) سلولهای عضلانی خارج می شوند. عضوی دیگر از گروه P که در سلولهای ترشح کننده اسید در معده پستانداران وجود دارد ، پروتونها ( یونهای H + ) را از یونهای K + به داخل سلول منتقل می کند. پمپ H + که پتانسیل الکتریکی غشا را در سلولهای گیاهی ، قارچی و باکتریایی حفظ می کند نیز از این دسته است.

ساختار کلاس F و پمپ های یونی کلاس V شبیه به یکدیگر اما ربطی به و پیچیده تر از پمپ P-کلاس می باشد. پمپ های کلاس F و V حاوی حداقل سه نوع پروتئین غشایی و پنج نوع پلی پپتید خارجی است که دامنه سیتوزولی را تشکیل می دهند . چندین زیر واحد غشایی و خارجی در پمپ های کلاس F و کلاس V همسانی توالی از خود نشان می دهند و تصور بر این است که هر جفت زیر واحد همولوگ از یک پلی پپتید مشترک تکامل یافته است .

تمام پمپ های شناخته شده V و F فقط پروتون ها را در فرایندی که شامل یک واسطه فسفوپروتئین نیست حمل می کنند. پمپ های کلاس V به طور کلی عملکرد برای حفظ کم و pH از واکوئل های گیاهی و از لیزوزوم و دیگر وزیکول اسیدی در سلول های حیوانی با استفاده از انرژی آزاد شده توسط ATP هیدرولیز به پمپ پروتون از سیتوزولی به صورت exoplasmic از غشاء در برابر پروتون الکتروشیمیایی گرادیان . پمپ های کلاس F در غشاهای پلاسمای باکتریایی و در میتوکندری ها و کلروپلاست ها یافت می شوند. بر خلاف پمپ های V ، آنها به طور کلی برای تأمین انرژی سنتز ATP از ADP و P i با حرکت پروتون ها از اگزوپلاسمی به سمت دیگر عمل می کنند. چهره سیتوزولی غشا در پایین شیب الکتروشیمیایی پروتون. به دلیل اهمیت آنها در سنتز ATP در کلروپلاست ها و میتوکندری ها ، پمپ های پروتون کلاس F به طور جداگانه در فصل بعدی درمان می شوند.

کلاس نهایی پروتئین های حمل و نقل مجهز به ATP از انواع دیگر بزرگتر و متنوع است. این کلاس که به عنوان فوق خانواده ABC (کاست اتصال دهنده ATP) نامیده می شود ، شامل بیش از 100 پروتئین مختلف حمل و نقل است که در ارگانیسم ها از باکتری گرفته تا انسان یافت می شود. هر پروتئین ABC مخصوص یک بستر یا گروهی از بسترهای مرتبط شامل یون ها ، قندها ، پپتیدها ، پلی ساکاریدها و حتی پروتئین ها است. همه پروتئین های حمل و نقل ABC دارای یک سازمان مشترک متشکل از چهار حوزه “هسته” هستند: دو حوزه غشایی (T) ، تشکیل مجرای عبور مولکول های منتقل شده از غشا، و دو سیتوزولی ATP اتصال (A) دامنه. در برخی از پروتئین های ABC ، ​​حوزه های اصلی در چهار پلی پپتید جداگانه وجود دارد. در برخی دیگر ، دامنه های اصلی در یک یا دو پلی پپتید چند دامنه ای ذوب می شوند.

همه طبقات پمپ ATP طراحی یک یا بیشتر سایت های الزام آور برای ATP، و این همیشه در چهره سیتوزولی از غشاء و فرآیندهای غشایی (نگاه کنید به شکل 15-10 ). اگرچه این پروتئین ها اغلب ATPase نامیده می شوند ، اما به طور معمول ATP را به ADP و P i هیدرولیز نمی کنند مگر اینکه یونها یا سایر مولکول ها به طور همزمان منتقل شوند. به دلیل اتصال فشرده بین هیدرولیز ATP و حمل و نقل ، انرژی ذخیره شده در پیوند فسفو هیدرید اتلاف نمی شود. بنابراین پروتئین های حمل و نقل با استفاده از ATP قادر به جمع آوری انرژی آزاد شده در حین هیدرولیز ATP هستند و از آن برای انتقال یونها یا سایر مولکول های سربالایی در برابر شیب پتانسیل یا غلظت استفاده می کنند.

انرژی مصرف شده توسط سلول ها برای حفظ شیب غلظت Na + ، K + ، H + و Ca2 + در سراسر غشا plas پلاسما و داخل سلول قابل توجه است. به عنوان مثال ، در سلولهای عصبی و کلیه ، حداکثر 25 درصد ATP تولید شده توسط سلول برای انتقال یون استفاده می شود. در گلبول های قرمز انسان ، تا 50 درصد ATP موجود برای این منظور استفاده می شود. در سلولهای تحت درمان با سمومی که مانع تولید هوازی ATP می شوند (به عنوان مثال ، 2،4-دینیتروفنول) ، با حرکت یونها از غشا plas پلاسما ، به تدریج به غلظت یون در داخل سلول نزدیک می شود.شیب الکتریکی و غلظت آنها را پایین می آورد. سلولهای درمان شده در نهایت می میرند: بخشی به این دلیل که سنتز پروتئین به غلظت بالای یون K + نیاز دارد و بخشی دیگر به دلیل عدم وجود شیب Na + در غشا cell سلول ، سلول نمی تواند مواد مغذی خاصی مانند اسیدهای آمینه را وارد کند. مطالعات در مورد اثرات این سموم شواهد اولیه ای در مورد وجود پمپ های یونی ارائه داد. در این بخش ، ما به طور جزئی در مورد نمونه های P ، V و ABC کلاس پمپ های مجهز به ATP بحث می کنیم.

پلاسما-ممبران Ca 2+ ATPase یونهای Ca2+ از سلولها صادر می کند
همانطور که در فصل 20 بحث شد ، افزایش اندک غلظت یون های Ca2+ آزاد در سیتوزول باعث ایجاد انواع پاسخ های سلولی می شود. برای اینکه Ca2+ در سیگنالینگ داخل سلولی کار کند ، غلظت سیتوزولی آن معمولاً باید زیر 0.1 – 0.2 میکرومولار باشد. (اگر چه برخی سیتوزولی کلسیم 2+ است که به گروه های شارژ شده منفی محدود، آن را به غلظت است آزاد، بی بند و بار کلسیم 2+ است که به عملکرد سیگنالینگ آن بسیار مهم است.) غشاء پلاسما از حیوانات، مخمر، و احتمالا سلول های گیاهی حاوی کلسیم 2+ ATPase هایی که Ca 2+ را حمل می کنندخارج از سلول در برابر شیب الکتروشیمیایی آن است. این پمپ های یونی کلاس P به حفظ غلظت یون های Ca2+ آزاد در سیتوزول در سطح پایین کمک می کنند.

علاوه بر یک زیر واحد α کاتالیستی حاوی یک سایت اتصال ATP ، همانطور که در سایر پمپ های کلاس P یافت می شود ، پلاسماممبران Ca2 + ATPases همچنین حاوی کالمودولین تنظیم کننده اتصال Ca2+ است . افزایش در Ca2 سیتوزولی باعث اتصال یون های Ca2 + به کالمودولین می شود که باعث فعال شدن آلوستریک Ca2 + ATPase می شود . در نتیجه ، صادرات یون های Ca2+ از سلول تسریع می شود و غلظت سیتوزولی کم اصلی Ca2+ آزاد به سرعت بازیابی می شود.

عضله Ca 2+ ATPase یون های Ca2+ از سیتوزول به شبکه سارکوپلاسمی پمپ می کند
علاوه بر پلاسما غشاء کلسیم 2+ ATPase را ، سلول های عضلانی حاوی دوم، مختلف کلسیم 2+ ATPase را که حمل و نقل کلسیم 2+ از سیتوزول به لومن از شبکه سارکوپلاسمی (SR)، داخلی اندامک که کنسانتره و فروشگاه های کلسیم 2+ یونها همانطور که در فصل 18 بحث شد ، SR و پمپ کلسیم آن (که به آن پمپ کلسیم عضله گفته می شود ) در انقباض و شل شدن عضله بسیار مهم است: آزاد سازی یون های Ca2+ از SR در سیتوزول عضله باعث انقباض و از بین بردن سریع Ca 2+ یون های حاصل از سیتوزول توسط پمپ کلسیم عضله باعث ایجاد آرامش می شود.

از آنجا که پمپ کلسیم عضله بیش از 80 درصد پروتئین انتگرال را در غشاهای SR تشکیل می دهد ، به راحتی تمیز و مشخص می شود. هر زیر واحد α کاتالیزوری غشایی دارای وزن مولکولی 100000 است و دو یون Ca2+ به ازای هر ATP هیدرولیز شده حمل می کند. در سیتوزول سلول های عضلانی، کلسیم رایگان 2+ محدوده غلظت از 10 -7 M (سلول در حال استراحت) به بیش از 10 -6 M (سلول های عقد قرارداد)، در حالی که کل کلسیم 2+ غلظت در لومن SR می تواند به عنوان بالا باشد به عنوان 10 − 2 M. سایت های موجود در سطح سیتوزولی پمپ کلسیم عضله میل بسیار زیادی به کلسیم دارند2+ ( K m  = 10 − 7 M) ، به پمپ اجازه می دهد Ca2+ را به طور موثر از سیتوزول به SR در برابر شیب غلظت شیب دار منتقل کند.

غلظت Ca2+ آزاد در شبکه سارکوپلاسمی در واقع بسیار کمتر از غلظت کل 10 − 2M است . دو پروتئین محلول در لومن وزیکول های SR Ca2+ را متصل می کنند و به عنوان مخزن Ca2+ درون سلولی عمل می کنند ، در نتیجه کاهش غلظت Ca رایگان 2+ یون در کیسههای SR، و در نتیجه کاهش انرژی مورد نیاز برای پمپ کلسیم 2+ یون به آنها را از سیتوزول . فعالیت عضله Ca2+ ATPase به قدری تنظیم می شود که اگر Ca 2+ رایگان باشدغلظت در سیتوزول خیلی زیاد می شود ، سرعت پمپاژ کلسیم افزایش می یابد تا زمانی که غلظت سیتوزولی Ca2 به کمتر از 1 میکرومول کاهش یابد. بنابراین در سلولهای عضلانی ، پمپ کلسیم در غشا S SR می تواند فعالیت پمپ غشای پلاسما را تکمیل کند ، اطمینان حاصل کند که غلظت سیتوزولی آزاد Ca2+ زیر 1 میکرومتر باقی می ماند.

مدل فعلی مکانیسم عملکرد Ca2 + ATPase در غشای SR در شکل 15-11 نشان داده شده است . اتصال هیدرولیز ATP با پمپاژ یون شامل مراحل مختلفی است که باید به ترتیب مشخص انجام شود. هنگامی که پروتئین در یک ترکیب باشد ، E1 نامیده می شود ، دو یون Ca2+ به ترتیب به سایت های با میل بالا در سطح سیتوزولی متصل می شوند (مرحله 1). سپس ATP به محل خود در سطح سیتوزولی متصل می شود. در واکنشی که نیاز به Mg 2+ داردیون محکم به ATP پیچیده می شود ، ATP متصل شده به ADP هیدرولیز می شود و فسفات آزاد شده به یک باقیمانده خاص آسپارتات در پروتئین منتقل می شود و یک پیوند اسیل فسفات پر انرژی ایجاد می کند ، که با E1 ~ P نشان داده می شود (مرحله 2). سپس پروتئین ساختار خود را به E2 – P تغییر می دهد و در محل اگزوپلاسمی ، که روبرو با لومن SR است ، دو سایت اتصال دهنده Ca2+ با کمبود میل ایجاد می کند. این تغییر ساختاری به طور همزمان دو یون Ca2+ را از طریق پروتئین به این سایت ها هدایت می کند (مرحله 3) و سایت های اتصال دهنده Ca2+ با میل بالا در صورت سیتوزولی را غیرفعال می کند . Ca 2+سپس یونها از سطح اگزوپلاسمی پروتئین جدا می شوند (مرحله 4). پس از این، پیوند aspartyl فسفات در E2 – P هیدرولیز می شود، باعث E2 به بازگشت به E1، تغییری که غیرفعال میکند exoplasmic رو کلسیم 2+ -binding سایت و بازسازی کلسیم cytosolicfacing 2+ سایت های -binding (مرحله 5) .

شکل 15-11

مدل مکانیسم عملکرد عضله Ca2+ ATPase ، که در غشا ret شبکه سارکوپلاسمی (SR) واقع شده است. فقط یکی از دو زیر واحد α این پمپ کلاس P به تصویر کشیده شده است. E1 و E2 فرم های متناوب پروتئین هستند (بیشتر …)

بنابراین فسفوریلاسیون پمپ کلسیم عضله توسط ATP تبدیل E1 به E2 را ترجیح می دهد و دفسفوریلاسیون تبدیل E2 به E1 را ترجیح می دهد. در حالی که فقط E2 – P و نه E1 ~ P در واقع هیدرولیز می شوند ، انرژی آزاد هیدرولیز پیوند آسپارتیل فسفات در E1 ~ P بیشتر از E2 – P است. کاهش انرژی آزاد پیوند آسپارتیل فسفات در E2 – P ، نسبت به E1 ~ P ، می توان گفت که تغیر ساختاری E1 → E2 را تأمین می کند. میل Ca2+ برای سایتهای اتصال روبرو با سیتوزولیک در E1 هزار برابر بیشتر از میل Ca2+ برای سایتهای روبرو با اگزوپلاسم در E2 است. این تفاوت پروتئین را قادر به انتقال Ca2+ می کند یک طرفه از سیتوزول ، جایی که محکم به پمپ متصل می شود ، به اگزوپلاسم ، جایی که آزاد می شود.

شواهد بسیاری از مدل به تصویر کشیده شده در شکل 15-11 پشتیبانی می کند . به عنوان مثال ، پمپ کلسیم عضله با فسفات متصل به باقیمانده آسپارتات جدا شده است و مطالعات طیفی تغییرات جزئی در ترکیب پروتئین را در طول تبدیل E1 → E2 تشخیص داده اند . بر اساس توالی اسیدهای آمینه پروتئین و مطالعات بیوشیمیایی مختلف ، محققان مدل ساختاری را برای زیر واحد α کاتالیزوری نشان داده شده در شکل 15-12 ارائه داده اند . غشاء -spanning مارپیچها α تصور به شکل گذرگاه که از طریق آن کلسیم 2+یونها حرکت می کنند. قسمت عمده زیر واحد شامل حوزه های کروی سیتوزولی است که در اتصال ATP ، فسفوریلاسیون آسپارتات و انتقال انرژی نقش دارند. این دامنه ها توسط “ساقه ها” به دامنه غشایی تعبیه می شوند .

شکل 15-12

مدل ساختاری شماتیک برای زیر واحد کاتالیزوری (α) عضله Ca2+ ATPase تصور می شود که 10 مارپیچ α غشایی ، کانالی را تشکیل می دهند که از طریق آن یون های Ca2+ حرکت می کنند. مطالعات جهش زایی مختص سایت چهار بقایا را شناسایی کرده است (بیشتر …)

همانطور که قبلاً اشاره شد ، تمام پمپ های یونی کلاس P ، صرف نظر از اینکه کدام یون را حمل می کنند ، در طی فرآیند حمل و نقل فسفریله می شوند. اسید آمینه توالی سراسر آسپارتات فسفریله در زیر واحد α کاتالیزوری بسیار در تمام پروتئین ها از این نوع حفاظت. بنابراین مدل مکانیکی در شکل 15-11 احتمالاً به طور کلی برای همه این پمپ های یونی مجهز به ATP قابل استفاده است. علاوه بر این ، زیر واحد α از تمام پمپ های P بررسی شده تا به امروز دارای یک وزن مولکولی مشابه هستند و همانطور که از توالی اسیدهای آمینه آنها به دست آمده از کلون های cDNA استنباط می شود ، یک آرایش مشابه از مارپیچ های α غشایی دارند ( شکل 15-12 را ببینید ). این یافته ها به شدت نشان می دهد که همه این پروتئین ها از یک ماده اولیه مشترک تکامل یافته اند ، اگرچه اکنون آنها یون های مختلف را حمل می کنند.

قابل اعتماد و متخصص:
Na + / K + ATPase غلظت های Na + و K + داخل سلولی را در سلول های حیوانی حفظ می کند
دومین پمپ یونی کلاس P که با جزئیات قابل توجهی مورد مطالعه قرار گرفته است ، Na + / K + ATPase موجود در غشای پلاسما تمام سلولهای حیوانی است. این پمپ یونی است تترامر از ترکیب زیر واحد آلفا 2 β 2 . (آزمایش کلاسیک 15.1 کشف این آنزیم را توصیف می کند .) پلی پپتید β برای زیر واحد α که تازه سنتز شده است لازم است تا به درستی در شبکه آندوپلاسمی جمع شود اما ظاهراً مستقیماً در پمپاژ یون نقش ندارد. زیر واحد α یک پلی پپتید غیر گلیکوزیله شده 120000 مگاواتی است که اسید آمینه آن است توالی و ساختار غشایی پیش بینی شده بسیار شبیه به عضله های Ca2 + ATPase عضله است . به طور خاص ، Na + / K + ATPase دارای ساقه ای در صورت سیتوزولی است که دامنه های حاوی سایت اتصال ATP و آسپارتات فسفریله شده را به حوزه غوطه ور شده غشا پیوند می دهد . روند کلی حمل و نقل ، سه یون Na + و دو یون K + را به ازای تقسیم مولکول ATP به سلول منتقل می کند ( شکل 15-13a ).

شکل 15-13

مدل هایی برای ساختار و عملکرد Na + / K + ATPase در غشای پلاسما. (الف) این پمپ کلاس P شامل هر دو نسخه از یک زیر واحد کوچک β گلیکوزیله شده و یک زیر واحد بزرگ α است که انتقال یون را انجام می دهد. هیدرولیز یک (بیشتر …)

چندین شواهد نشان می دهد که Na + / K + ATPase به ترتیب مسئول حرکت همزمان K + و Na + به داخل سلول است. به عنوان مثال ، داروی ouabain که به یک منطقه خاص در سطح اگزوپلاسمی پروتئین متصل می شود و به طور خاص فعالیت ATPase آن را مهار می کند ، همچنین از حفظ تعادل Na + / K + سلول ها جلوگیری می کند . هرگونه تردید در اینکه Na + / K + ATPase مسئول حرکت یون است با اثبات اینکه آنزیم هنگام تمیز شدن از غشا disp برطرف شدو وارد لیپوزومها می شود ، K + و Na + در حضور ATP منتقل می شود.

مکانیسم عملکرد Na + / K + ATPase ، که در شکل 15-13b تشریح شده است ، مشابه مکانیسم پمپ کلسیم عضله است ، با این تفاوت که یونها از هر دو جهت از طریق غشا پمپ می شوند . در E1 آن ساختار ، سدیم + / K + ATPase را دارای سه با شباهت زیاد سدیم + -binding سایت ها و دو کم میل K + سایت های -binding در سطح سیتوزولی رو از پروتئین . K متر برای اتصال سدیم + به این سایت سیتوزولی 0.6 میلی متر است، یک مقدار قابل توجهی از سدیم درون سلولی را کاهش+ غلظت ≈12 میلی متر در نتیجه ، یون های Na + به طور معمول این سایت ها را پر می کنند. برعکس ، میل سایتهای اتصال دهنده + K سیتوزولیک به اندازه کافی کم است که یونهای K + ، از طریق پروتئین به داخل بدن منتقل می شوند ، با وجود غلظت K + داخل سلولی بالا ، از E1 به سیتوزول جدا می شوند . در طول انتقال E1 → E2 ، سه یون Na + محدود شده از طریق پروتئین به سمت خارج حرکت می کنند. انتقال به ترکیب E2 همچنین دو سایت K + با میل بالا و سه سایت Na + کم میل در صورت اگزوپلاسمی ایجاد می کند . چون K m برای K + اتصال به این سایت ها (0.2 میلی متر) به طور قابل توجهی کمتر از غلظت K + خارج سلولی (4 میلی متر) است ، این سایت ها به سرعت با یون K + پر می شوند. در مقابل ، سه یون Na + که از طریق پروتئین به خارج منتقل می شوند ، با وجود غلظت بالای Na + خارج سلولی ، از مکانهای کم میل + Na در سطح خارج از سلول به محیط خارج سلولی جدا می شوند . به طور مشابه ، در طول انتقال E2 → E1 ، دو یون K + محدود به داخل منتقل می شوند.

قابل اعتماد و متخصص:
پروتون های پمپ V کلاس H + ATPases در غشای لیزوزومی و وکولار
همه ATPase های کلاس V فقط یون های H + را حمل می کنند. این پمپ های پروتون که در غشای لیزوزوم ها ، آندوزوم ها و واکوئل های گیاهی وجود دارد ، عملکردی برای اسیدی شدن لومن این اندامک ها دارند. اسیدیته لومن لیزوزومی ، معمولاً 5/4 تا 5/4 ، می تواند دقیقاً در سلولهای زنده با استفاده از ذرات برچسب خورده با یک رنگ فلورسنت حساس به pH اندازه گیری شود . سلول ها این ذرات را فاگوسیتوز می کنند ( شکل 5-44a را ببینید ) و آنها را به لیزوزوم ها منتقل می کنید. توانایی طول موجهای مختلف نور مرئی برای تحریک فلورسانس بسیار وابسته به pH است و می توان PH لیزوزومی را از طیف فلورسانس ساطع شده محاسبه کرد. نگهداری شیب پروتون 100 برابر یا بیشتر بین لومن لیزوزومی (pH ≈4.5 – 5.0) و سیتوزول (pH -7.0)) به تولید ATP توسط سلول بستگی دارد.

پمپ های پروتون مجهز به ATP در غشای لیزوزومی و واکولار جدا شده ، خالص شده و در لیپوزوم ها گنجانیده شده اند. همانطور که در شکل 15-10 نشان داده شده است ، این پمپ های پروتون کلاس V حاوی دو حوزه گسسته هستند: یک حوزه آبدوست رو به سیتوزولی (V 1 ) متشکل از پنج پلی پپتید مختلف و یک دامنه غشایی (V 0 ) حاوی 9 تا 12 نسخه پروتئولیپید c ، یک نسخه از پروتئین b ، و یک نسخه از پروتئین a . ترکیب زیر واحد از حوزه سیتوزولی α است 3 β 3 γδε؛ زیر واحد α و β حاوی مکانهایی است که اتصال ATP و هیدرولیز وجود دارد روی دادن. تصور می شود که هر زیر واحد c از بین غشا دو بار است. ج و زیر واحد با هم کانال پروتون انجام تشکیل می دهد. برخلاف پمپ های یونی کلاس P ، H + ATPase های کلاس V در حین انتقال پروتون فسفریله و دفسفریله نمی شوند.

ATPase های کلاس V مشابه در غشای پلاسمایی سلولهای خاص ترشح کننده اسید یافت می شود. اینها شامل استئوكلاست ها ، سلول های ماكروفاژلیك جذب كننده استخوان هستند كه به استخوان متصل می شوند و قسمت كوچكی از فضای خارج سلول بین غشای پلاسما و سطح استخوان را از بین می برند. HCl ترشح شده در این فضا توسط استئوکلاست ها ، بلورهای فسفات کلسیم را که باعث استحکام و مقاومت استخوان می شود ، حل می کند.

مثال دیگر سلولهای اپیتلیال غنی از میتوکندری است که مثانه وزغ را پوشانده است. غشای پلاسمایی آپیکالی این سلول ها حاوی ATPase های کلاس V + V است که عملکرد آنها برای اسیدی شدن ادرار است ( شکل 15-14 ) همانطور که بعداً بحث کردیم ، غشای واکوئلهای گیاهی شامل دو پمپ پروتون است: یک کلاس V + ATPase معمولی و دیگری که از انرژی آزاد شده توسط هیدرولیز پیرو فسفات معدنی (PP i ) برای پمپاژ پروتونها به درون واکول استفاده می کند. این پمپ پروتون هیدرولیز PP -i ، که تصور می شود منحصر به گیاهان است ، دارای یک اسید آمینه است توالی متفاوت از سایر پروتئین های حمل کننده یون.

شکل 15-14

غشای پلاسمایی سلولهای خاص ترشح کننده اسید شامل آرایه ای تقریباً بلوری از کلاس V + ATPases است. این میکروگراف الکترونی از ماکت پلاتین سطح سیتوزولی غشای پلاسمای آپیکال سلول اپیتلیال مثانه وزغ است. (بیشتر…)

پمپ های پروتون مجهز به ATP نمی توانند به تنهایی لومن اندامک (یا فضای خارج سلول) را اسیدی کنند. دلیل این کار این است که پمپاژ پروتون به سرعت باعث تجمع بار مثبت بر روی چهره exoplasmic از غشاء در داخل غشاء کیسه و تجمع های مربوطه را از اتهامات عنوان شده علیه منفی بر چهره سیتوزولی . به عبارت دیگر ، پمپ ولتاژی را در غشا تولید می کند ، صورت اگزوپلاسمی مثبت است ، که از حرکت پروتون ها به داخل وزیکول جلوگیری می کند قبل از اینکه یک شیب غلظت H + قابل توجه ایجاد شود. در واقع ، این راهی است که H +پمپ ها در غشا potentialهای پلاسمای گیاهی و مخمر یک پتانسیل عدم انباشت ایجاد می کنند. برای اسیدی شدن لومن اندامک یا فضای خارج سلولی (به عنوان مثال ، قسمت بیرونی استئوکلاست) ، حرکت H + به سمت بالا به سمت گرادیان غلظت آن باید با (1) حرکت تعداد برابر آنیون ها در همان جهت همراه باشد (2) حرکت تعداد برابر یک کاتیون متفاوت در جهت مخالف. اولین فرایند در لیزوزوم ها و واکوئل های گیاهی رخ می دهد که غشاهای آنها حاوی AT + P و H کانال V از کلاس V و کانال های یونی است که از طریق آنها آنیون های همراه (مثلاً Cl – ) حرکت می کنند. مورد دوم در پوشش معده رخ می دهد که شامل یک کلاس P + H + K + ATPase است که یک H + را پمپ می کندبیرون و یک K + درون.

قابل اعتماد و متخصص:
ABC Superfamily انواع گسترده ای از بسترها را انتقال می دهد
همانطور که قبلاً اشاره شد ، همه اعضای خانواده بسیار بزرگ و متنوع ABC پروتئین های حمل و نقل حاوی دو حوزه غشایی (T) و دو حوزه سیتوزولی اتصال ATP (A) هستند ( شکل 15-10 را ببینید ). دامنه های T ، هر یک از شش مارپیچ α که به وسعت غشا ساخته شده اند ، مسیری را تشکیل می دهند که از طریق آن ماده ( سوبسترا ) منتقل شده از غشا عبور می کند و ویژگی بستر هر پروتئین ABC را تعیین می کند . دنباله دامنه های A در تمام اعضای این خانواده فوق العاده 30 تا 40 درصد همولوگ است که نشانگر یک منشا تکاملی مشترک است. برخی از پروتئین های ABC همچنین دارای یک زیر واحد یا زیر واحد تنظیم کننده اتصال دهنده بستر هستند.

نفوذهای غشایی پلاسمای غشایی
غشای پلاسمایی بسیاری از باکتری های حاوی متعدد permeases که متعلق به ABC بالاخانواده. این پروتئین ها از انرژی آزاد شده توسط هیدرولیز ATP برای انتقال اسیدهای آمینه خاص ، قندها ، ویتامین ها یا حتی پپتیدها به داخل سلول استفاده می کنند. از آنجا که باکتریها اغلب در خاک یا حوضچه هایی که غلظت عناصر غذایی کم است رشد می کنند ، این پروتئین های انتقال دهنده ABC به سلول ها اجازه می دهند اسیدهای آمینه و سایر مواد مغذی را در برابر شیب غلظت قابل توجهی در سلول متمرکز کنند. نفوذهای باکتریایی معمولاً قابل القا هستند . یعنی مقدار پروتئین حمل و نقل در غشای سلول توسط غلظت ماده مغذی موجود در محیط و نیازهای متابولیکی سلول تنظیم می شود.

در اشریشیا کولی هیستیدین پروماز ، یک پروتئین ABC باکتریایی معمولی ، دو حوزه غشایی و دو حوزه اتصال ATP سیتوزولی توسط چهار زیر واحد جداگانه تشکیل می شود. در باکتری های گرم منفی مانند E. coli که غشای خارجی دارند ، پروتئین محلول اتصال هیستیدین در فضای پریپلاسمی به انتقال کمک می کند ( شکل 15-15 ). این پروتئین محلول هیستیدین را محکم متصل کرده و آن را به زیر واحدهای T هدایت می کند ، که از طریق آن هیستیدین از غشا pow حاصل از هیدرولیز ATP عبور می کند . جهش E. coliسلولهایی که در هر یک از زیرواحدهای هیستیدین-پرماز یا معلولیت پروتئین محلول ناقص باشند قادر به انتقال هیستیدین به سلول نیستند ، اما قادر به انتقال اسیدهای آمینه دیگری هستند که جذب آنها توسط سایر پروتئین های حمل و نقل تسهیل می شود. چنین آنالیزهای ژنتیکی شواهد محکمی را در رابطه با عملکرد هیستیدین پمئاز و پروتئینهای ABC مشابه برای انتقال املاح به سلول ارائه می دهد.

شکل 15-15

باکتریهای گرم منفی املاح زیادی را با استفاده از پروتئینهای ABC (permeases) وارد می كنند كه از یك پروتئین محلول اتصال بستر موجود در فضای پری پلاسمایی استفاده می كنند. در اینجا واردات اسید آمینه هیستیدین به تصویر کشیده شده است. پس از انتشار از طریق porins (بیشتر …)

پروتئین های حمل و نقل MDR پستانداران
مجموعه ای از مشاهدات نسبتاً غیرمنتظره منجر به کشف اولین پروتئین ABC یوکاریوتی شد . متخصصان انكولوژی خاطرنشان كردند كه سلولهای تومور اغلب به طور همزمان در برابر چندین داروی شیمی درمانی با ساختارهای شیمیایی نامربوط مقاومت می كنند. به طور مشابه ، زیست شناسان سلولی مشاهده کردند که سلول های کشت شده برای مقاومت در برابر یک ماده سمی (به عنوان مثال ، کلشی سین ، یک مهار کننده میکروتوبول) انتخاب می شوند و اغلب به چندین داروی دیگر از جمله داروی ضد سرطان آدریامایسین مقاوم می شوند. مطالعات بعدی نشان داد که این مقاومت به دلیل افزایش بیان یک به چند دارو مقاومت (MDR) پروتئین حمل و نقل شناخته شده به عنوان MDR1. در این عضو از خانواده فوق العاده ABC ، ​​هر چهار حوزه در یک پروتئین 170،000 مگاواتی قرار دارند ( شکل 15-16 ). این پروتئین از انرژی حاصل از هیدرولیز ATP برای صادرات انواع زیادی از داروها از سیتوزول به محیط خارج سلول استفاده می کند. MDR1 ژن است که غالبا در سلول های مقاوم به چند دارو تقویت، و در نتیجه تولید بیش از حد زیادی از پروتئین MDR1.

شکل 15-16

مدل ساختاری شماتیک برای پروتئین MDR1 پستانداران در این عضو از خانواده فوق العاده ABC ، ​​دو حوزه غشایی و دو حوزه اتصال ATP سیتوزولی بخشی از یک پلی پپتید منفرد هستند. هر حوزه غشایی شامل شش مارپیچ α است. (بیشتر…)

اکثر داروهایی که توسط MDR1 منتقل می شوند ، مولکول های آبگریز کوچکی هستند که از محیط کشت در غشا plas پلاسما به داخل سلول پخش می شوند. صادرات ATP مجهز به این داروها از سیتوزول توسط MDR1 به این معنی است که غلظت داروی خارج سلول بسیار بیشتری برای از بین بردن سلول ها مورد نیاز است. این که MDR1 یک پمپ مولکول کوچک با انرژی ATP است با لیپوزومهای حاوی پروتئین خالص شده نشان داده شده است ( شکل 15-4 را ببینید ). ATPase را فعالیت این لیپوزوم اغلب با داروهای مختلف به صورت وابسته به دوز مربوط به توانایی خود را برای توسط MDR1 حمل و نقل افزایش یافته است.

نه تنها MDR1 گروه متنوعی از مولکول ها را حمل می کند ، بلکه همه این بسترها برای انتقال توسط MDR1 با یکدیگر رقابت می کنند. اگرچه مکانیسم عملکرد حمل و نقل با کمک MDR1 به طور قطعی نشان داده نشده است ، مدل flippase که در شکل 15-17a نشان داده شده است ، یک کاندیدای احتمالی است. بسترهای MDR1 در درجه اول مسطح ، مولکول های محلول در لیپیدها با یک یا چند بار مثبت هستند و خود به خود از سیتوزول به داخل جزوه رو به سیتوزولی غشای پلاسما حرکت می کنند . آبگریز بخشی از یک بستر مولکول به سمت هسته آبگریز غشاء گرا، و بخش شارژ به سمت قطبی صورت سیتوزولی غشا و هنوز در سیتوزول است. این بستر به طور جانبی پراکنده می شود تا زمانی که در محلی از پروتئین MDR1 قرار بگیرد و در آن در لایه دو لایه متصل شود . سپس پروتئین مولکول بستر باردار را به داخل برگچه اگزوپلاسمی “ورق می زند” ، یک واکنش نامطلوب از نظر انرژی از طریق فعالیت ATPase همراه MDR1 تأمین می شود . هنگامی که در صورت اگزوپلاسمی قرار گرفت ، سوبسترا در خارج از سلول به داخل فاز آبی پخش می شود. پشتیبانی از مدل حمل و نقل flippase توسط MDR1 از MDR2 ، یک پروتئین همولوگ موجود در منطقه غشای پلاسمای سلول کبدی که رو به مجرای صفراوی است ، تأمین می شود. MDR2 به تلنگر نشان داده شده است فسفولیپیدهااز بروشور رو به سیتوزولی غشای پلاسما تا بروشور اگزوپلاسمی ، در نتیجه باعث تولید بیش از حد فسفولیپیدها در بروشور اگزوپلاسمی می شود این فسفولیپیدها به مجرای صفرا پوست می کنند و قسمت اساسی صفرا را تشکیل می دهند. یک مدل پمپ جایگزین نیز برای MDR1 ارائه شده است ( شکل 15-17b ). طبق این مدل ، مولکول های دارویی موجود در سیتوزول مستقیماً به یک محل اتصال مولکول کوچک در سطح سیتوزولی پروتئین MDR1 متصل می شوند. هیدرولیز بعدی ATP با مکانیزمی شبیه به سایر پمپ های مجهز به ATP ، حرکت داروی متصل شده را از طریق پروتئین به فاز آبی در خارج سلول افزایش می دهد.

شکل 15-17

مکانیسم های احتمالی عملکرد پروتئین MDR1. (الف) مدل Flippase پیشنهاد می کند که یک مولکول محلول در لیپید ابتدا در جزوه روبرو شده با سیتوزولی غشای پلاسما حل شود (  1  ) و سپس تا زمان اتصال در غشا منتشر می شود (بیشتر …)

پروتئین MDR1 به وفور در کبد ، روده و کلیه بیان می شود – مکانهایی که محصولات سمی طبیعی از بدن خارج می شود. بنابراین عملکرد طبیعی MDR1 ممکن است انتقال انواع سموم طبیعی و متابولیکی به صفرا ، لومن روده یا تشکیل ادرار باشد. در طول تکامل ، به نظر می رسد MDR1 به طور تصادفی توانایی انتقال داروهایی را دارد که ساختار آنها شبیه ساختار این سموم است. تومورهای مشتق شده از این نوع سلول ها ، مانند هپاتوم (سرطان های کبد) ، اغلب نسبت به همه عوامل شیمی درمانی مقاوم هستند و بنابراین درمان آن دشوار است ، احتمالاً به این دلیل که تومورها بیان بیشتری از پروتئین های MDR1 یا MDR2 را نشان می دهند.

پروتئین تنظیم کننده ترانس ممبران سیستیک فیبروز (CFTR)
کشف یکی دیگر از پروتئین های حمل و نقل ABC ناشی از مطالعات فیبروز کیستیک (CF) ، شایع ترین بیماری ژنتیکی اتوزومال مغلوب قفقازی است. این بیماری در اثر جهش در ژن CFTR ایجاد می شود ، که یک پروتئین کانال کلرید را رمزگذاری می کند که توسط AMP حلقوی (cAMP) ، پیام رسان دوم درون سلولی تنظیم می شود . این کلر – کانال های موجود در غشای پلاسما آپیکال سلولهای اپیتلیال در ریه، غدد عرق، لوزالمعده، و بافت های دیگر می باشد. افزایش cAMP در تحریک کلر – حمل و نقل از جمله سلول ها را از افراد سالم، اما نه از افراد CF که یک پروتئین CFTR معیوب.

توالی و ساختار پیش بینی شده پروتئین CFTR رمزگذاری شده ، بر اساس تجزیه و تحلیل ژن کلون شده ، بسیار شبیه به پروتئین MDR1 است به جز وجود یک دامنه اضافی ، حوزه تنظیم کننده (R) ، در چهره سیتوزولی . فعالیت کانال – Cl پروتئین CFTR به طور واضح با اتصال ATP افزایش می یابد. علاوه بر این ، همانطور که در فصل 20 شرح داده شده است ، cAMP یک پروتئین کیناز را فعال می کند که فسفریله می شود و در نتیجه CFTR را فعال می کند. هنگامی که پروتئین CFTR خالص در لیپوزومها گنجانده شود ، تشکیل کلر –کانالهایی با خواص مشابه سلولهای اپیتلیال نرمال. و هنگامی که پروتئین CFTR نوع وحشی است که توسط تکنیک های نوترکیب در سلول های اپیتلیال کشت از بیماران CF بیان می شود، سلول های بازیابی طبیعی کلر – فعالیت کانال. این نتیجه اخیر این احتمال را ایجاد می کند که ژن درمانی ممکن است روند فیبروز کیستیک را معکوس کند.

از آنجا که پروتئین CFTR از نظر ساختار مشابه MDR1 است ، ممکن است به عنوان پمپ ATP از برخی مولکولهای هنوز نامشخص عمل کند. در هر صورت ، چیزهای زیادی در مورد این گروه جذاب پروتئین های حمل و نقل ABC باید یاد گرفته شود.

قابل اعتماد و متخصص:
خلاصه

•  چهار نوع پروتئین حمل و نقل غشایی هیدرولیز آزاد کننده انرژی ATP را با انتقال مواد مورد نیاز انرژی در برابر شیب غلظت آنها جفت می کنند (نگاه کنید بهشکل 15-10 و جدول 15-2)
•  در پمپ های کلاس P ، فسفوریلاسیون زیر واحد α و تغییر در حالت های ساختاری برای انتقال همراه یونهای H + ، Na + ، K + یا Ca2 + ضروری است (نگاه کنید بهارقام 15-11 و 15-13)
•  کلاس P + Na / K + ATPase از هر ATP هیدرولیز شده ، سه یون Na + و دو یون K + به سلول پمپ می کند . یک هومولوگ ، Ca2 + ATPase ، دو یون Ca2+ را از سلول پمپاژ می کند یا در عضله ، به ازای هیدرولیز ATP به شبکه سارکوپلاسمی وارد می شود . عملکرد ترکیبی این پمپ ها در سلول های حیوانی ، یک محیط یونی درون سلولی با K + بالا ، Ca2+ کم و Na + کم ایجاد می کند که بسیار متفاوت از محیط مایع خارج سلولی Na + ، Ca ++ زیاد و K + پایین است .
•  در ATPase های V و F کلاس چند زیر واحد ، که پروتون ها را به طور انحصاری پمپ می کنند ، یک پروتئین فسفریله شده واسطه ای در انتقال نیست.
• پمپ  H + کلاس V در غشای لیزوزومی و آندوزومی حیوانات و غشاهای واکوئل گیاهی مسئول حفظ pH پایین در اندامکها نسبت به سیتوزول اطراف است .
•  همه اعضای بزرگ خانواده و متنوع پروتئین های حمل و نقل ABC حاوی چهار حوزه اصلی هستند: دو حوزه غشایی که راهی برای حرکت املاح تشکیل می دهند و ویژگی بستر را تعیین می کنند و دو حوزه اتصال سیتوزولی ATP.
•  خانواده فوق العاده ABC شامل آمینو اسید باکتری و نفوذ قند است (نگاه کنید بهشکل 15-15) پروتئین MDR1 پستانداران ، که مجموعه وسیعی از داروها را از سلول ها صادر می کند. و پروتئین CFTR، یک کلر – کانال است که معیوب در فیبروز سیستیک.
•  طبق مدل flippase از فعالیت MDR1 ، یک مولکول سوبسترا به داخل جزوه سیتوزولی غشای پلاسما پخش می شود ، سپس در یک فرآیند مجهز به ATP به برگچه اگزوپلاسمی منتقل می شود و در نهایت از غشا به فضای خارج سلولی منتشر می شود 

منبع : www.ncbi.nlm.nih.gov