لا يكون الناقل مفتوحًا في آنٍ واحدٍ لكلٍّ من البيئة خارج الخلوية وداخل الخلوية. إما أن تكون بوابته الداخلية مغلقة، أو بوابته الخارجية مغلقة. أي أن بوابتيه الداخلية والخارجية لا تُفتحان في الوقت نفسه. في المقابل، يمكن أن تكون القناة مفتوحة لكلا البيئتين في الوقت نفسه، مما يسمح للجزيئات بالانتشار دون انقطاع. تحتوي النواقل على مواقع ارتباط، بينما لا تحتوي المسام والقنوات على هذه المواقع. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] عند فتح القناة، يمكن لملايين الأيونات أن تمر عبر الغشاء في الثانية الواحدة، بينما لا يمر عبر جزيء الناقل عادةً سوى 100 إلى 1000 جزيء في الوقت نفسه. [ 8 ] صُمِّم كل بروتين ناقل للتعرف على مادة واحدة فقط أو مجموعة واحدة من المواد المتشابهة جدًا. وقد ربطت الأبحاث بين عيوب في بروتينات ناقلة محددة وأمراض معينة. [ 5 ]
النقل النشط
توجد مضخة الصوديوم والبوتاسيوم (وهي نوع من إنزيمات ATPase من النوع P ) في العديد من أغشية الخلايا (البلازما)، وتُعد مثالًا على النقل النشط الأولي. تعمل هذه المضخة، التي تستمد طاقتها من ATP، على نقل أيونات الصوديوم والبوتاسيوم في اتجاهين متعاكسين، كلٌّ منها ضد تدرج تركيزه. في دورة واحدة للمضخة، يتم طرد ثلاثة أيونات صوديوم من الخلية ودخول أيونين من البوتاسيوم إليها.
النقل النشط هو حركة مادة عبر غشاء ضد تدرج تركيزها. ويهدف هذا عادةً إلى تجميع تراكيز عالية من الجزيئات التي تحتاجها الخلية، مثل الجلوكوز أو الأحماض الأمينية. إذا استخدمت هذه العملية طاقة كيميائية، مثل الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)، تُسمى النقل النشط الأولي . تُعرف بروتينات النقل الغشائي التي تعمل مباشرةً بتحلل ATP بمضخات ATPase . [ 9 ] توجه هذه المضخات عملية التحلل المائي الطاردة للطاقة لـ ATP إلى حركة غير مواتية للجزيئات ضد تدرج تركيزها. من أمثلة مضخات ATPase: مضخات ATPase من النوع P ، ومضخات ATPase من النوع V ، ومضخات ATPase من النوع F ، ووحدات ربط ABC .
يعتمد النقل النشط الثانوي على استخدام التدرج الكهروكيميائي ، ولا يستخدم الطاقة المُنتجة داخل الخلية. [ 10 ] ويستخدم هذا النوع من النقل عادةً أنواعًا من البروتينات الناقلة، وتحديدًا البروتينات الناقلة المتزامنة والبروتينات الناقلة المعاكسة . تربط البروتينات الناقلة المتزامنة نقل جزيء واحد وفقًا لتدرج تركيزه بنقل جزيء آخر عكس تدرج تركيزه، وينتشر كلا الجزيئين في نفس الاتجاه . أما البروتينات الناقلة المعاكسة، فتنقل جزيئًا واحدًا وفقًا لتدرج تركيزه لنقل جزيء آخر عكس تدرج تركيزه، ولكن ينتشر الجزيئان في اتجاهين متعاكسين . ولأن البروتينات الناقلة المتزامنة والبروتينات الناقلة المعاكسة تشارك في ربط نقل جزيئين، يُشار إليها عادةً باسم النواقل المشتركة . وعلى عكس بروتينات القنوات التي تنقل المواد عبر الأغشية بشكل سلبي فقط، تستطيع البروتينات الناقلة نقل الأيونات والجزيئات إما بشكل سلبي من خلال الانتشار المُيسّر، أو عبر النقل النشط الثانوي. [ 11 ] ويُعد البروتين الناقل ضروريًا لنقل الجزيئات من مناطق التركيز المنخفض إلى مناطق التركيز العالي. تحتوي هذه البروتينات الناقلة على مستقبلات ترتبط بجزيء محدد (الركيزة) يحتاج إلى النقل. يجب أن يرتبط الجزيء أو الأيون المراد نقله (الركيزة) أولاً بموقع ارتباط على جزيء البروتين الناقل، بتقارب ارتباط معين. بعد الارتباط، وطالما أن موقع الارتباط مواجه لنفس الاتجاه، يقوم البروتين الناقل بالتقاط الركيزة أو حجبها (استقبالها والاحتفاظ بها) داخل بنيته الجزيئية، مما يؤدي إلى انتقال داخلي بحيث تصبح الفتحة الموجودة في البروتين مواجهة للجانب الآخر من غشاء البلازما. [ 12 ] يتم إطلاق ركيزة البروتين الناقل في ذلك الموقع، وفقًا لتقارب ارتباطها هناك.
الانتشار الميسر
الانتشار الميسر في غشاء الخلية، يظهر قنوات الأيونات (يسار) والبروتينات الناقلة (ثلاثة على اليمين).
الانتشار المُيسَّر هو مرور الجزيئات أو الأيونات عبر غشاء بيولوجي بواسطة بروتينات نقل مُحددة، ولا يتطلب أي طاقة. يُستخدم الانتشار المُيسَّر بشكل خاص في حالة الجزيئات القطبية الكبيرة والأيونات المشحونة؛ فبمجرد ذوبان هذه الأيونات في الماء، لا يمكنها الانتشار بحرية عبر أغشية الخلايا بسبب الطبيعة الكارهة للماء لذيل الأحماض الدهنية في الفوسفوليبيدات التي تُكوِّن الطبقات الثنائية. يختلف نوع البروتينات الناقلة المستخدمة في الانتشار المُيسَّر قليلاً عن تلك المستخدمة في النقل النشط. فهي لا تزال بروتينات ناقلة عبر الغشاء، ولكنها قنوات غشائية مُبَوَّبة، أي أنها لا تنتقل داخليًا، ولا تتطلب ATP للعمل. يتم إدخال الركيزة من جانب واحد من الناقل المُبَوَّب، ودون استخدام ATP، يتم إطلاقها في الخلية. لا يتطلب الانتشار المُيسَّر استخدام ATP لأنه، مثل الانتشار البسيط، ينقل الجزيئات أو الأيونات وفقًا لتدرج تركيزها. [ 13 ]
التناضح
الخاصية الأسموزية هي الانتشار السلبي للماء عبر غشاء الخلية من منطقة ذات تركيز عالٍ إلى منطقة ذات تركيز منخفض. ولأنها عملية سلبية، كالانتشار المُيسَّر والانتشار البسيط، فإنها لا تتطلب استخدام جزيئات ATP. تُعدّ الخاصية الأسموزية مهمة في تنظيم توازن الماء والأملاح داخل الخلايا، وبالتالي فهي تلعب دورًا حاسمًا في الحفاظ على التوازن الداخلي. [ 14 ] الأكوابورينات هي بروتينات غشائية متكاملة تسمح بمرور الماء والجليسرول بسرعة عبر الأغشية. تتكون وحدات الأكوابورين من ستة نطاقات حلزونية ألفا عابرة للغشاء، ويمكن لهذه الوحدات أن تتجمع لتكوين بروتينات الأكوابورين. عندما تتجمع أربع من هذه الوحدات لتكوين بروتين الأكوابورين، يُعرف باسم رباعي الوحدات المتماثل ، أي أنه يتكون من أربع وحدات فرعية متطابقة. [ 15 ] [ 16 ] جميع الأكوابورينات هي بروتينات غشائية متكاملة رباعية الوحدات، ويمر الماء عبر كل قناة من قنوات المونومر على حدة، وليس بين القنوات الأربع مجتمعة. ولأن الأكوابورينات قنوات غشائية لانتشار الماء، فإن القنوات المكونة لها عادةً ما تكون مبطنة بسلاسل جانبية محبة للماء للسماح بمرور الماء.
الهولينات ؛ التي تعمل على تصدير الإنزيمات التي تهضم جدران الخلايا البكتيرية في خطوة مبكرة من تحلل الخلايا.
يحدث الانتشار الميسر داخل وخارج غشاء الخلية عبر القنوات/المسام والنواقل/الناقلات.
ملحوظة:
القنوات:
تكون القنوات إما في حالة مفتوحة أو مغلقة. عندما تُفتح القناة بتغير طفيف في بنيتها، فإنها تكون مفتوحة لكلا البيئتين في آن واحد (خارج الخلية وداخلها).
تمثل هذه الصورة النقل المتزامن. يُظهر المثلث الأصفر تدرج التركيز للدوائر الصفراء، بينما يُظهر المثلث الأخضر تدرج التركيز للدوائر الخضراء، أما القضبان البنفسجية فتمثل حزمة بروتينات النقل. تتحرك الدوائر الخضراء عكس تدرج تركيزها عبر بروتين النقل، وهو ما يتطلب طاقة، بينما تتحرك الدوائر الصفراء مع تدرج تركيزها، مما يُطلق طاقة. تُنتج الدوائر الصفراء طاقةً أكبر من خلال التناضح الكيميائي مما هو مطلوب لتحريك الدوائر الخضراء، لذا فإن الحركة مُقترنة ويتم إلغاء جزء من الطاقة. ومن الأمثلة على ذلك إنزيم نفاذية اللاكتوز الذي يسمح للبروتونات بالنزول مع تدرج تركيزها إلى داخل الخلية، بينما يقوم في الوقت نفسه بضخ اللاكتوز إلى داخلها.المسام:
تظل المسام مفتوحة باستمرار أمام هذين الوسطين، لأنها لا تخضع لتغيرات بنيوية. فهي دائماً مفتوحة ونشطة.
2: ناقلات مدفوعة بالجهد الكهروكيميائي
وتسمى أيضاً بالبروتينات الحاملة أو النواقل الثانوية.
تمثل الصورة النقل الأحادي. يُظهر المثلث الأصفر تدرج التركيز للدوائر الصفراء، بينما تمثل القضبان الأرجوانية حزمة بروتينات النقل. وبما أنها تتحرك وفقًا لتدرج تركيزها عبر بروتين النقل، فإنها تُطلق الطاقة نتيجةً للخاصية الكيميائية الأسموزية . ومن الأمثلة على ذلك بروتين GLUT1 الذي ينقل الجلوكوز وفقًا لتدرج تركيزه إلى داخل الخلية.ناقلات الأحماض الأمينية المثيرة (EAATs)
إنزيم ATPase من النوع F ؛ (F تعني "عامل مرتبط")، بما في ذلك: إنزيم ATP سينثاز الميتوكوندري ، وإنزيم ATP سينثاز البلاستيدات الخضراء 1تمثل هذه الصورة عملية النقل العكسي. يُظهر المثلث الأصفر تدرج التركيز للدوائر الصفراء، بينما يُظهر المثلث الأزرق تدرج التركيز للدوائر الزرقاء، أما القضبان البنفسجية فتمثل حزمة بروتينات النقل. تتحرك الدوائر الزرقاء عكس تدرج تركيزها عبر بروتين النقل، وهو ما يتطلب طاقة، بينما تتحرك الدوائر الصفراء مع تدرج تركيزها، مما يُطلق طاقة. تُنتج الدوائر الصفراء طاقةً أكبر من خلال التناضح الكيميائي مما هو مطلوب لتحريك الدوائر الزرقاء، لذا فإن الحركة مُقترنة ويتم إلغاء جزء من الطاقة. ومن الأمثلة على ذلك مُبادل الصوديوم-بروتون الذي يسمح للبروتونات بالنزول مع تدرج تركيزها إلى داخل الخلية، بينما يضخ الصوديوم خارجها.
3.ب: ناقلات مدفوعة بإزالة الكربوكسيل
3.ج: ناقلات مدفوعة بنقل الميثيل
3.د: ناقلات مدفوعة بالأكسدة والاختزال
3.هـ: ناقلات تعتمد على امتصاص الضوء، مثل الرودوبسين
4: أجهزة النقل الجماعي
توفر ناقلات المجموعة آلية خاصة لفسفرة السكريات أثناء نقلها إلى البكتيريا (نقل مجموعة PEP).
5: حاملات الإلكترون
تشمل نواقل نقل الإلكترون عبر الغشاء نواقل ثنائية الإلكترون، مثل إنزيمات الأكسدة والاختزال لرابطة ثنائي الكبريتيد (DsbB وDsbD في الإشريكية القولونية)، بالإضافة إلى نواقل أحادية الإلكترون مثل إنزيم NADPH أوكسيداز. غالباً لا تُعتبر هذه البروتينات المؤكسدة والمختزلة بروتينات نقل.
أمثلة ذات صلة
GLUT 1
كل بروتين ناقل، وخاصةً داخل غشاء الخلية نفسه، متخصص في نوع أو عائلة واحدة من الجزيئات. يُعدّ GLUT1 بروتينًا ناقلًا معروفًا موجودًا في جميع أغشية الخلايا الحيوانية تقريبًا، وهو ينقل الجلوكوز عبر الطبقة الثنائية. هذا البروتين أحادي النقل ، أي أنه ينقل الجلوكوز باتجاه واحد فقط. وهو بروتين ناقل غشائي متكامل ذو سطح داخلي محب للماء، مما يسمح له بالارتباط بالجلوكوز. ولأن GLUT1 نوع من البروتينات الناقلة، فإنه يخضع لتغيير في بنيته للسماح للجلوكوز بالدخول إلى الجانب الآخر من غشاء البلازما. [ 22 ] يوجد GLUT1 عادةً في أغشية خلايا الدم الحمراء لدى الثدييات. [ 23 ]
قنوات الصوديوم/البوتاسيوم
رغم وجود العديد من الأمثلة على القنوات في جسم الإنسان، إلا أن قنوات الصوديوم والبوتاسيوم تُعدّان من أبرزها. تُعنى قنوات البوتاسيوم عادةً بنقل أيونات البوتاسيوم عبر غشاء الخلية إلى خارجها، مما يُساعد في الحفاظ على جهد الغشاء السالب. ولأن عدد قنوات البوتاسيوم يفوق عدد قنوات الصوديوم، فإن كمية البوتاسيوم المتدفقة خارج الخلية تفوق كمية الصوديوم المتدفقة داخلها، ولذلك يكون جهد الغشاء سالبًا. أما قنوات الصوديوم، فتُعنى عادةً بنقل أيونات الصوديوم عبر غشاء الخلية إلى داخلها. وترتبط هذه القنوات عادةً بالخلايا العصبية القابلة للاستثارة، إذ يُمكن لتدفق الصوديوم أن يُحفز إزالة الاستقطاب، مما يُؤدي بدوره إلى انتشار جهد الفعل. [ 24 ] ولأن هذه البروتينات تُصنف ضمن بروتينات القنوات، فإنها لا تخضع لتغيير في بنيتها بعد ارتباطها بركائزها.
أمثلة أخرى
تساهم بروتينات ناقلة أخرى محددة في وظائف الجسم المهمة. تعمل السيتوكرومات في سلسلة نقل الإلكترون كبروتينات ناقلة للإلكترونات. [ 10 ]
علم الأمراض
تتضمن العديد من الأمراض الوراثية عيوبًا في البروتينات الناقلة في مادة معينة أو مجموعة من الخلايا. يُعدّ بيلة السيستين (وجود السيستين في البول والمثانة) أحد هذه الأمراض، حيث ينتج عن خلل في البروتينات الناقلة للسيستين في أغشية خلايا الكلى. يقوم هذا النظام الناقل عادةً بإزالة السيستين من السائل المُعدّ ليصبح بولًا، ويعيد هذا الحمض الأميني الأساسي إلى الدم. عند حدوث خلل في هذا الناقل، تبقى كميات كبيرة من السيستين في البول، حيث يكون غير قابل للذوبان نسبيًا ويميل إلى الترسيب. وهذا أحد أسباب تكوّن حصى الكلى. [ 25 ] وقد تبيّن أن بعض البروتينات الناقلة للفيتامينات تُفرط في التعبير لدى مرضى الأورام الخبيثة. على سبيل المثال، تبيّن أن مستويات البروتين الناقل للريبوفلافين (RCP) مرتفعة بشكل ملحوظ لدى المصابات بسرطان الثدي . [ 26 ]
↑ كاساتكينا، ل. أ.، وبوريسوفا، ت. أ. (نوفمبر 2013). "إطلاق الغلوتامات من الصفائح الدموية: الإخراج الخلوي مقابل انعكاس ناقل الغلوتامات". المجلة الدولية للكيمياء الحيوية وبيولوجيا الخلية . 45 (11): 2585-2595 . doi : 10.1016/j.biocel.2013.08.004 . PMID 23994539 .
↑ كوبر، جيفري م. (2000)، "نقل الجزيئات الصغيرة" ، الخلية: مدخل جزيئي. الطبعة الثانية ، سيناور أسوشيتس ، تاريخ الاطلاع : 22 نوفمبر 2023
↑ ييغل، فيليب ل. (2016). "نقل الغشاء". أغشية الخلايا . ص 335-378 . doi : 10.1016/B978-0-12-800047-2.00013-9 . ISBN978-0-12-800047-2يُعدّ بروتين GLUT1 وفيرًا في غشاء كريات الدم الحمراء لدى الثدييات، حيث يُساهم في موازنة مستوى الجلوكوز بسرعة بين سيتوبلازم الكريات الحمراء وبلازما الدم. كما يوجد GLUT1 في أنسجة الدماغ، وينقل أيضًا المانوز والجلاكتوز والجلوكوزامين.