POMPA WAPNIOWA: FUNKCJE, RODZAJE, BUDOWA I DZIAŁANIE - BIOLOGIA - 2026

Pompa wapniowa jest struktura o charakterze białka, które jest odpowiedzialne za transport wapnia przez błony komórkowe. Ta struktura jest zależna od ATP i jest uważana za białko podobne do ATPazy, zwane także Ca ²⁺ -ATPazą.

Ca ²⁺ -ATPaza znajduje się we wszystkich komórkach organizmów eukariotycznych i jest niezbędna dla homeostazy wapnia w komórce. To białko przeprowadza podstawowy aktywny transport, ponieważ ruch cząsteczek wapnia jest sprzeczny z ich gradientem stężeń.

Struktura krystalograficzna SERCA.
Źródło: Wcnsaffo

Funkcje pompy wapniowej

Ca ²⁺ pełni ważne role w komórce, dlatego jego regulacja w ich obrębie jest niezbędna do jej prawidłowego funkcjonowania. Często działa jako drugi posłaniec.

W przestrzeniach zewnątrzkomórkowych stężenie Ca ²⁺ jest około 10 000 razy wyższe niż w komórkach. Zwiększone stężenie tego jonu w cytoplazmie komórki wywołuje różne reakcje, takie jak skurcze mięśni, uwalnianie neuroprzekaźników i rozpad glikogenu.

Istnieje kilka sposobów przenoszenia tych jonów z komórek: transport bierny (wyjście niespecyficzne), kanały jonowe (ruch na korzyść ich gradientu elektrochemicznego), wtórny transport aktywny typu antypodporowego (Na / Ca) oraz pierwotny transport aktywny za pomocą pompy. Zależne od ATP.

W przeciwieństwie do innych mechanizmów wyporu Ca ²⁺ , pompa działa w postaci wektorowej. Oznacza to, że jon porusza się tylko w jednym kierunku, więc działa tylko poprzez ich wyrzucenie.

Komórka jest niezwykle wrażliwa na zmiany stężenia Ca ²⁺ . Przedstawiając tak wyraźną różnicę w ich stężeniu zewnątrzkomórkowym, jest zatem tak ważne, aby skutecznie przywrócić ich normalne poziomy cytozolowe.

Rodzaje

W komórkach zwierzęcych opisano trzy typy Ca ²⁺ -ATPaz według ich lokalizacji w komórkach; pompy zlokalizowane w błonie plazmatycznej (PMCA), te zlokalizowane w retikulum endoplazmatycznym i błonie jądrowej (SERCA) oraz te, które znajdują się w błonie aparatu Golgiego (SPCA).

Pompy SPCA transportują również jony Mn ²⁺ , które są kofaktorami różnych enzymów w macierzy aparatu Golgiego.

Komórki drożdży, inne organizmy eukariotyczne i komórki roślinne prezentują inne typy bardzo szczególnych Ca ²⁺ -ATPazy.

Struktura

Pompa PMCA

W błonie komórkowej znajdujemy aktywny antyportowy transport Na / Ca, który odpowiada za wypieranie znacznej ilości Ca ²⁺ w komórkach w stanie spoczynku i aktywności. W większości komórek w stanie spoczynku pompa PMCA jest odpowiedzialna za transport wapnia na zewnątrz.

Białka te składają się z około 1200 aminokwasów i mają 10 segmentów transbłonowych. Cytosol zawiera 4 główne jednostki. Pierwsza jednostka zawiera końcową grupę aminową. Drugi ma podstawowe właściwości, dzięki czemu wiąże się z aktywującymi kwaśnymi fosfolipidami.

W trzeciej jednostce znajduje się kwas asparaginowy z funkcją katalityczną, a „za” pasmem wiążącym izotocyjanian fluoresceiny, w domenie wiążącej ATP.

W czwartej jednostce znajduje się domena wiążąca kalmodulinę, miejsca rozpoznawane przez niektóre kinazy (A i C) oraz allosteryczne prążki wiążące Ca ²⁺ .

Pompa SERCA

Pompy SERCA występują w dużych ilościach w siateczce sarkoplazmatycznej komórek mięśniowych, a ich działanie wiąże się ze skurczem i rozluźnieniem cyklu ruchu mięśni. Jego funkcją jest transport Ca ²⁺ z cytozolu komórkowego do macierzy siateczki.

Białka te składają się z pojedynczego łańcucha polipeptydowego z 10 domenami transbłonowymi. Jego struktura jest zasadniczo taka sama jak w przypadku białek PMCA, ale różni się tym, że mają one tylko trzy jednostki w cytoplazmie, a miejsce aktywne znajduje się w trzeciej jednostce.

Funkcjonowanie tego białka wymaga równowagi ładunków podczas transportu jonów. Dwa Ca ²⁺ (przez zhydrolizowany ATP) są wypierane z cytozolu do macierzy siateczki, wbrew bardzo dużemu gradientowi stężeń.

Transport ten zachodzi w sposób antyportalny, ponieważ w tym samym czasie dwa H ⁺ są kierowane z macierzy do cytozolu.

Mechanizm działania

Pompy SERCA

Mechanizm transportu jest podzielony na dwa stany E1 i E2. W E1 miejsca wiązania, które mają wysokie powinowactwo do Ca ^2+, są skierowane w kierunku cytozolu. W E2 miejsca wiązania są skierowane w stronę światła siateczki, wykazując niskie powinowactwo do Ca ²⁺ . Dwa jony Ca ²⁺ łączą się po przeniesieniu.

Podczas wiązania i transferu Ca ²⁺ zachodzą zmiany konformacyjne, w tym otwarcie domeny M białka, która jest skierowana w stronę cytozolu. Jony wiążą się wtedy łatwiej z dwoma miejscami wiązania wspomnianej domeny.

Połączenie dwóch jonów Ca ²⁺ sprzyja serii zmian strukturalnych w białku. Wśród nich rotacja pewnych domen (domena A), która reorganizuje jednostki pompy, umożliwiając otwarcie w kierunku macierzy siateczki uwolnienie jonów, które są odłączone dzięki zmniejszeniu powinowactwa w miejscach wiązania.

Protony H ⁺ i cząsteczki wody stabilizują miejsce wiązania Ca ²⁺ , powodując rotację domeny A z powrotem do pierwotnego stanu, zamykając dostęp do retikulum endoplazmatycznego.

Pompy PMCA

Ten typ pompy znajduje się we wszystkich komórkach eukariotycznych i jest odpowiedzialny za wydalanie Ca ²⁺ do przestrzeni zewnątrzkomórkowej w celu utrzymania stabilnego stężenia w komórkach.

W tym białku jon Ca ²⁺ jest transportowany przez hydrolizowany ATP. Transport jest regulowany przez poziom białka kalmoduliny w cytoplazmie.

Zwiększając stężenie cytozolowego Ca ²⁺ , wzrasta poziom kalmoduliny, która wiąże się z jonami wapnia. Kompleks Ca ²⁺ -kalmoduliny składa się następnie w miejscu wiązania pompy PMCA. W pompie następuje zmiana konformacyjna, która umożliwia odsłonięcie otworu do przestrzeni zewnątrzkomórkowej.

Jony wapnia są uwalniane, przywracając normalny poziom wewnątrz komórki. W konsekwencji kompleks Ca ²⁺ -kalmoduliny rozkłada się, przywracając konformację pompy do jej pierwotnego stanu.

Bibliografia

1. Brini, M. i Carafoli, E. (2009). Pompy wapnia w zdrowiu i chorobie. Physiological reviews, 89 (4), 1341-1378.
2. Carafoli, E. i Brini, M. (2000). Pompy wapniowe: strukturalna podstawa i mechanizm transbłonowego transportu wapnia. Aktualna opinia z biologii chemicznej, 4 (2), 152-161.
3. Devlin, TM (1992). Podręcznik biochemii: z korelacjami klinicznymi.
4. Latorre, R. (red.). (1996). Biofizyka i fizjologia komórki. Uniwersytet w Sewilli.
5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP i Matsudaira, P. (2008). Biologia komórek molekularnych. Macmillan.
6. Pocock, G. i Richards, CD (2005). Fizjologia człowieka: podstawy medycyny. Elsevier Hiszpania.
7. Voet, D. i Voet, JG (2006). Biochemia. Panamerican Medical Ed.