VÁPNÍKOVÉ ČERPADLO: FUNKCE, TYPY, STRUKTURA A PROVOZ - BIOLOGIE - 2025

Čerpadlo vápníku je struktura proteinové povahy, že je zodpovědný za transport vápníku přes buněčné membrány. Tato struktura je závislá na ATP a je považována za protein podobný ATPase, také nazývaný Ca2 ⁺ -ATPáza.

Ca2 ⁺ -ATPáza se nachází ve všech buňkách eukaryotických organismů a je nezbytná pro homeostázu vápníku v buňce. Tento protein provádí primární aktivní transport, protože pohyb molekul vápníku jde proti jejich koncentračnímu gradientu.

Krystalografická struktura SERCA.

Zdroj: Wcnsaffo

Funkce vápníkové pumpy

Ca ²⁺ hraje v buňce důležité role, takže její regulace v nich je nezbytná pro její správné fungování. Často funguje jako druhý posel.

V extracelulárních prostorech je koncentrace Ca ²⁺ přibližně 10 000krát vyšší než v buňkách. Zvýšená koncentrace tohoto iontu v buněčné cytoplazmě vyvolává různé reakce, jako jsou svalové kontrakce, uvolňování neurotransmiterů a rozpad glykogenu.

Existuje několik způsobů přenosu těchto iontů z buněk: pasivní transport (nespecifický výstup), iontové kanály (pohyb ve prospěch jejich elektrochemického gradientu), sekundární aktivní transport typu anti-support (Na / Ca) a primární aktivní transport s pumpou. Závisí na ATP.

Na rozdíl od jiných mechanismů přemístění Ca ²⁺ pracuje čerpadlo ve vektorové formě. To znamená, že iont se pohybuje pouze jedním směrem, takže funguje pouze tak, že je vyloučí.

Buňka je extrémně citlivá na změny koncentrace Ca ²⁺. Prezentací tak výrazného rozdílu s jejich extracelulární koncentrací je proto důležité účinně obnovit jejich normální cytosolové hladiny.

Typy

Ve zvířecích buňkách byly popsány tři typy Ca2 ⁺ -ATPáz podle jejich umístění v buňkách; čerpadla umístěná v plazmatické membráně (PMCA), čerpadla umístěná v endoplazmatickém retikulu a jaderné membráně (SERCA) a čerpadla v membráně Golgiho aparátu (SPCA).

Čerpadla SPCA také transportují ionty Mn ^2+, které jsou kofaktory různých enzymů v Golgiho aparátu matrice.

Kvasinkové buňky, jiné eukaryotické organismy a rostlinné buňky představují jiné typy velmi konkrétních Ca2 ⁺ -ATPáz.

Struktura

Čerpadlo PMCA

V plazmatické membráně najdeme aktivní antiportový transport Na / Ca, který je zodpovědný za přemístění významného množství Ca ²⁺ v buňkách v klidu a aktivitě. Ve většině buněk v klidovém stavu je čerpadlo PMCA zodpovědné za dopravu vápníku ven.

Tyto proteiny jsou tvořeny asi 1200 aminokyselin a mají 10 transmembránových segmentů. V cytosolu jsou 4 hlavní jednotky. První jednotka obsahuje koncovou aminoskupinu. Druhý má základní vlastnosti, což mu umožňuje vázat se na aktivační kyselé fosfolipidy.

Ve třetí jednotce je kyselina asparagová s katalytickou funkcí, a "downstream" tohoto vazebného pruhu pro izotocyanát fluoresceinu v ATP vazebné doméně.

Ve čtvrté jednotce je kalmodulinová vazebná doména, rozpoznávací místa určitých kináz (A a C) a allosterické Ca2 ⁺ vazebné pásy.

Čerpadlo SERCA

Pumpy SERCA se nacházejí ve velkém množství ve sarkoplazmatickém retikulu svalových buněk a jejich aktivita souvisí s kontrakcí a relaxací v cyklu pohybu svalů. Jeho funkcí je transport Ca ²⁺ z buněčného cytosolu do matrice retikula.

Tyto proteiny sestávají z jediného polypeptidového řetězce s 10 transmembránovými doménami. Jeho struktura je v podstatě stejná jako struktura proteinů PMCA, liší se však v tom, že v cytoplazmě mají pouze tři jednotky, přičemž aktivní místo je ve třetí jednotce.

Fungování tohoto proteinu vyžaduje rovnováhu poplatků během transportu iontů. Dva Ca2 ⁺ (hydrolyzovaným ATP) jsou přemístěny z cytosolu do matrice retikula proti gradientu s velmi vysokou koncentrací.

K tomuto transportu dochází antiportálním způsobem, protože současně jsou dvě H ⁺ směrovány na cytosol z matrice.

Mechanismus provozu

Čerpadla SERCA

Transportní mechanismus je rozdělen do dvou stavů E1 a E2. V El jsou vazebná místa, která mají vysokou afinitu k Ca2 ^+, směřována k cytosolu. V E2 jsou vazebná místa zaměřena na lumen retikula a vykazují nízkou afinitu k Ca2 ⁺. Dva ionty Ca ^{2+ se} po převodu spojí.

Během vazby a přenosu Ca2 ⁺ dochází ke konformačním změnám, včetně otevření M domény proteinu, který je směrem k cytosolu. Ionty se pak snáze vážou ke dvěma vazebným místům uvedené domény.

Spojení dvou Ca2 ⁺ iontů podporuje řadu strukturálních změn v proteinu. Mezi nimi rotace určitých domén (doména A), která reorganizuje jednotky pumpy, což umožňuje otevření k matrici retikula uvolnit ionty, které jsou odpojeny díky snížení afinity na vazebných místech.

H ⁺ protony a molekuly vody stabilizují vazebné místo Ca2 ⁺, což způsobuje, že se doména A otáčí zpět do původního stavu, čímž se uzavírá přístup k endoplazmatickému retikulu.

Čerpadla PMCA

Tento typ pumpy se nachází ve všech eukaryotických buňkách a je zodpovědný za vytlačování Ca2 ⁺ do extracelulárního prostoru, aby se jeho koncentrace v buňkách udržovala stabilní.

V tomto proteinu je iont Ca2 ⁺ transportován hydrolyzovaným ATP. Transport je regulován hladinami kalmodulinového proteinu v cytoplazmě.

Zvýšením koncentrace cytosolického Ca ²⁺ se zvyšují hladiny kalmodulinu, který se váže na ionty vápníku. Ca2 ⁺ -kalmodulinový komplex se poté spojí s vazebným místem pumpy PMCA. V pumpě dochází ke konformační změně, která umožňuje, aby byl otvor vystaven extracelulárnímu prostoru.

Vápníkové ionty se uvolňují a obnovují normální hladiny uvnitř buňky. Následně se komplex Ca2 ⁺ -kalmodulinu rozebírá a vrací konformaci pumpy do původního stavu.

Reference

1. Brini, M. a Carafoli, E. (2009). Vápníkové pumpy na zdraví a nemoci. Physiologické přehledy, 89 (4), 1341-1378.
2. Carafoli, E., & Brini, M. (2000). Vápníková čerpadla: strukturální základ a mechanismus transmembránové dopravy vápníku. Aktuální názor v chemické biologii, 4 (2), 152-161.
3. Devlin, TM (1992). Učebnice biochemie: s klinickými korelacemi.
4. Latorre, R. (Ed.). (devatenáctset devadesát šest). Biofyzika a buněčná fyziologie. Sevilla University.
5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, & Matsudaira, P. (2008). Biologie molekulárních buněk. Macmillan.
6. Pocock, G., a Richards, CD (2005). Fyziologie člověka: základy medicíny. Elsevier Španělsko.
7. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biochemie. Panamerican Medical Ed.