VÁPNIKOVÉ ČERPADLO: FUNKCIE, TYPY, ŠTRUKTÚRA A PREVÁDZKA - BIOLÓGIE - 2025

Čerpadlo vápnika je štruktúra proteínovej povahy, že je zodpovedný za transport vápnika cez bunkové membrány. Táto štruktúra je závislá od ATP a považuje sa za proteín podobný ATPáze, tiež nazývaný Ca2 ⁺ -ATPáza.

Ca2 ⁺ -ATPáza sa nachádza vo všetkých bunkách eukaryotických organizmov a je nevyhnutná pre homeostázu vápnika v bunke. Tento proteín vykonáva primárny aktívny transport, pretože pohyb molekúl vápnika ide proti ich koncentračnému gradientu.

Kryštalografická štruktúra SERCA.
Zdroj: Wcnsaffo

Funkcie vápnikového čerpadla

Ca ²⁺ hrá v bunke dôležité úlohy, takže jej regulácia v nich je nevyhnutná pre správne fungovanie. Často pôsobí ako druhý posol.

V extracelulárnych priestoroch je koncentrácia Ca2 ⁺ približne 10 000 krát vyššia ako v bunkách. Zvýšená koncentrácia tohto iónu v bunkovej cytoplazme spúšťa rôzne reakcie, ako sú svalové kontrakcie, uvoľňovanie neurotransmiterov a odbúravanie glykogénu.

Existuje niekoľko spôsobov prenosu týchto iónov z buniek: pasívny transport (nešpecifický výstup), iónové kanály (pohyb v prospech ich elektrochemického gradientu), sekundárny aktívny transport typu anti-support (Na / Ca) a primárny aktívny transport pomocou pumpy. ATP-závislý.

Na rozdiel od iných mechanizmov premiestňovania Ca ²⁺ čerpadlo pracuje vo vektorovej forme. To znamená, že ión sa pohybuje iba jedným smerom, takže funguje iba tak, že ich vylúči.

Bunka je mimoriadne citlivá na zmeny koncentrácie Ca2 ⁺ . Prezentáciou takého výrazného rozdielu s extracelulárnou koncentráciou je preto dôležité účinne obnoviť svoje normálne cytosolické hladiny.

druhy

V živočíšnych bunkách boli opísané tri typy Ca2 ⁺ -ATPáz podľa ich umiestnenia v bunkách; pumpy umiestnené v plazmatickej membráne (PMCA), čerpadlá umiestnené v endoplazmatickom retikule a jadrovej membráne (SERCA) a čerpadlá nachádzajúce sa v membráne Golgiho aparátu (SPCA).

Čerpadlá SPCA tiež transportujú ióny Mn ^2+, ktoré sú kofaktormi rôznych enzýmov v Golgiho prístrojovej matrici.

Kvasinkové bunky, iné eukaryotické organizmy a rastlinné bunky predstavujú ďalšie typy veľmi konkrétnych Ca2 ⁺ -ATPáz.

štruktúra

Čerpadlo PMCA

V plazmatickej membráne nachádzame aktívny antiportický transport Na / Ca, ktorý je zodpovedný za vytesnenie významného množstva Ca2 ⁺ v bunkách v pokoji a aktivite. Vo väčšine buniek v kľudovom stave je čerpadlo PMCA zodpovedné za prepravu vápnika von.

Tieto proteíny sú tvorené asi 1200 aminokyselinami a majú 10 transmembránových segmentov. V cytosóle sú 4 hlavné jednotky. Prvá jednotka obsahuje koncovú aminoskupinu. Druhý má základné vlastnosti, ktoré mu umožňujú viazať sa na aktivačné kyslé fosfolipidy.

V tretej jednotke je kyselina asparágová s katalytickou funkciou a jej "downstream" je pás viazajúci fluoresceín izotokyanát, vo väzbovej doméne ATP.

Vo štvrtej jednotke je doména viažuca kalmodulín, rozpoznávacie miesta určitých kináz (A a C) a alosterické väzobné pásy Ca2 ⁺ .

Čerpadlo SERCA

Pumpy SERCA sa nachádzajú vo veľkých množstvách v sarkoplazmatickom retikule svalových buniek a ich aktivita súvisí s kontrakciou a relaxáciou v cykle pohybu svalov. Jeho funkciou je transport Ca ²⁺ z bunkového cytosolu do matrice retikula.

Tieto proteíny pozostávajú z jedného polypeptidového reťazca s 10 transmembránovými doménami. Jeho štruktúra je v podstate rovnaká ako štruktúra proteínov PMCA, líši sa však tým, že v cytoplazme majú iba tri jednotky, pričom aktívne miesto je v tretej jednotke.

Fungovanie tejto bielkoviny vyžaduje rovnováhu poplatkov počas prepravy iónov. Dva Ca2 ⁺ (hydrolyzovaným ATP) sa vytesnia z cytosolu do matrice retikula proti gradientu veľmi vysokej koncentrácie.

K tomuto transportu dochádza antiportálnym spôsobom, pretože v rovnakom čase sú dve H ⁺ smerované na cytosol z matrice.

Mechanizmus činnosti

Čerpadlá SERCA

Transportný mechanizmus je rozdelený do dvoch stavov E1 a E2. V E1 sú väzobné miesta, ktoré majú vysokú afinitu k Ca2 ^+, namierené proti cytosolu. V E2 sú väzbové miesta nasmerované na lúmen retikula a vykazujú nízku afinitu k Ca2 ⁺ . Po prevode sa tieto dva ióny Ca2 ⁺ viažu.

Počas väzby a prenosu Ca2 ⁺ dochádza ku konformačným zmenám, vrátane otvorenia M domény proteínu, ktorá je smerom k cytosolu. Ióny sa potom ľahšie viažu na dve väzobné miesta uvedenej domény.

Spojenie dvoch iónov Ca2 ⁺ podporuje rad štruktúrnych zmien v proteíne. Medzi nimi rotácia určitých domén (doména A), ktorá reorganizuje jednotky pumpy, čo umožňuje otvoreniu matrice retikula uvoľniť ióny, ktoré sú rozpojené vďaka zníženiu afinity na väzbových miestach.

Protóny H ⁺ a molekuly vody stabilizujú väzobné miesto Ca2 ⁺ , čo spôsobuje, že sa doména A otáča späť do pôvodného stavu, čím sa uzavrie prístup k endoplazmatickému retikulu.

Čerpadlá PMCA

Tento typ pumpy sa nachádza vo všetkých eukaryotických bunkách a je zodpovedný za vylúčenie Ca2 ⁺ do extracelulárneho priestoru, aby sa udržala jeho koncentrácia v bunkách stabilná.

V tomto proteíne je ión Ca2 ⁺ transportovaný hydrolyzovaným ATP. Transport je regulovaný hladinami kalmodulínového proteínu v cytoplazme.

Zvýšením koncentrácie cytosolického Ca ²⁺ sa zvýšia hladiny kalmodulínu, ktorý sa viaže na ióny vápnika. Ca2 ⁺ -kalmodulínový komplex sa potom zostaví k väzobnému miestu pumpy PMCA. V pumpe nastane konformačná zmena, ktorá umožňuje, aby bol otvor vystavený extracelulárnemu priestoru.

Vápnikové ióny sa uvoľňujú a obnovujú normálne hladiny vo vnútri bunky. Následkom toho sa komplex Ca2 ⁺ -kalmodulínu rozloží a konformácia pumpy sa vráti do pôvodného stavu.

Referencie

1. Brini, M. a Carafoli, E. (2009). Vápnikové pumpy na zdravie a choroby. Physiologický prehľad, 89 (4), 1341-1378.
2. Carafoli, E., & Brini, M. (2000). Vápnikové pumpy: štrukturálny základ a mechanizmus transmembránovej prepravy vápnika. Aktuálny názor na chemickú biológiu, 4 (2), 152-161.
3. Devlin, TM (1992). Učebnica biochémie: s klinickými koreláciami.
4. Latorre, R. (Ed.). (devätnásť deväťdesiat šesť). Biofyzika a bunková fyziológia. Sevilla University.
5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, & Matsudaira, P. (2008). Biológia molekulárnych buniek. Macmillan.
6. Pocock, G., a Richards, CD (2005). Fyziológia človeka: základy medicíny. Elsevier Španielsko.
7. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biochémie. Panamerican Medical Ed.