In der Biologie wirken einige transmembranäre Enzyme in der Zellmembran als primäre Ionenpumpen, um Ionen gegen ihren Konzentrationsgradienten über eine Plasmamembran zu bewegen, die an aktiven Transportmechanismen beteiligt sind. Diese primären Ionentransporter könnten Energie aus verschiedenen Quellen, einschließlich ATP, Sonnenlicht und anderen Redoxreaktionen, in potenzielle Energie umwandeln, die in einem elektrochemischen Gradient gespeichert ist. Diese potenzielle Energie wird weiter von sekundären Transportern, wie Ionenkanälen und Ionen-Trägern, genutzt, um einige dynamische zelluläre Prozesse voranzutreiben.

Klassifikation

Ionenpumpen werden als eine Superfamilie von Transportern klassifiziert, die 12 Familien von Transportern umfasst. Diese Familie ist Teil des Transportklassifikationssystems, das von der International Union of Biochemistry and Molecular Biology (IUBMB) anerkannt ist, und wird entsprechend den Eigenschaften wie dem Transportmechanismus, der verwendeten Energiequelle, den transportierten Substraten und den DNA-Sequenzen, die jedes Protein bilden, unterteilt. Der wichtigste einheitliche Faktor ist die geladene Natur des Substrats, was den Transport eines Ions und nicht einer neutralen Spezies anzeigt.

Unterschied zwischen Ionenpumpen und Ionenkanälen

Ionenpumpen unterscheiden sich erheblich von Ionenkanälen. Ein Konzentrationsunterschied eines Ions oder chemischen Moleküls in zwei separaten Bereichen kann einen elektrochemischen Gradient oder Konzentrationsgradienten verursachen. In einem Gleichgewichtszustand sind die Ionenkonzentrationen in beiden Bereichen identisch. Wenn es einen Konzentrationsunterschied gibt, neigen die Ionen dazu, "abwärts" den Konzentrationsgradienten zu fließen oder von einer hohen Konzentration zu einer niedrigen Konzentration. Ionenkanäle ermöglichen es spezifischen Ionen, die in den Kanal passen, durch passiven Transport ihren Konzentrationsgradienten zu durchlaufen, um die Konzentrationen auf beiden Seiten der Zellmembran auszugleichen. Im Gegensatz dazu implementieren Ionenpumpen aktiven Transport, indem sie Ionen gegen ihren Konzentrationsgradienten unter Verwendung von Energiequellen wie ATP antreiben. Die in diesem Schritt erzeugte Energie kann dann von sekundären Transportern oder anderen Proteinen als Energiequelle genutzt werden.

Energiequelle

a. Primärer Transport

Primäre Transporter verwenden normalerweise ATP als Energiequelle, um Ionen wie Na⁺, K⁺ und Ca²⁺ über die Zellmembran zu transportieren und somit Konzentrationsgradienten zu erzeugen. Dieser Transport ist auch in der Lage, ATP durch verschiedene Methoden zu erzeugen, wie z.B. die Elektronentransportkette in Pflanzen.

Transporter, die ATP nutzen, können die Energie in ATP in potenzielle Energie in Form eines Konzentrationsgradienten umwandeln. Während dieses Verfahrens wird ATP verwendet, um Ionen von einer niedrigen Konzentration zu einer höheren Konzentration zu transportieren. P-Type ATPasen sind eine typische Art von ATP-verbrauchenden Enzymen, die Na⁺, K⁺ und Ca²⁺ Ionen durch Phosphorylierung übertragen, hauptsächlich einschließlich Na⁺/K⁺-ATPase, die von Janus-Kinase-2 reguliert wird, und Ca²⁺ ATPase, die eine hohe Empfindlichkeit gegenüber ADP- und ATP-Konzentrationen aufweist. A-Type ATPasen, die Anionen übertragen, und ABC-Transporter (ATP-bindende und Kassettentransporter), die eine breite Palette von Molekülen transportieren, gehören ebenfalls zu den ATP-verbrauchenden Enzymen. Darüber hinaus wirken ATP-erzeugende Transporter im Gegensatz zu ATP-nutzenden Transportern, indem sie Ionen von hoher zu niedriger Konzentration mit dem Gradient transportieren. Dabei wird ATP unter Verwendung der potenziellen Energie in Form des Konzentrationsgradienten gebildet. In den Mitochondrien von Tieren wird ATP durch F-Type ATPase, auch bekannt als ATP-Synthase, synthetisiert. V-Type ATPase hat eine Funktion, die der von F-Type ATPase entgegengesetzt ist, und kann ATP hydrolysieren, um einen Protonengradienten in Pflanzen zu erzeugen. Zum Beispiel verwenden Lysosomen während des Prozesses der Photosynthese in den Chloroplasten V-Type ATPase, um Vesikel oder Pflanzenvakuolen zu acidifizieren, was durch verschiedene Methoden wie pH-Anpassung reguliert werden kann.

b. Sekundärer Transport

Sekundäre Transporter transportieren ebenfalls Ionen von niedriger Konzentration zu hoher Konzentration. Im Gegensatz zu primären Transportern, die einen Konzentrationsgradienten durch Energie aus ATP erzeugen, nutzen sekundäre Pumpen die potenzielle Energie aus dem Konzentrationsgradienten, der von primären Transportern erzeugt wird, um Ionen zu transportieren. Symporter wie der Natrium-Chlorid-Symporter können ein Ion durch seinen Konzentrationsgradienten transportieren, und sie koppeln den Transport eines zweiten Moleküls in die gleiche Richtung, während Antiporter, die den Konzentrationsgradienten nutzen, ein Molekül koppeln, das in die entgegengesetzte Richtung transportiert wird.

Regulation der Ionenpumpen

Die Regulation der Ionentransporter kann auf verschiedene Weise erfolgen, wie z.B. allosterische Hemmung oder Aktivierung, Empfindlichkeit gegenüber der Ionenkonzentration und Phosphorylierung. Der regulatorische Ligand kann an die regulatorische Stelle binden, wodurch die Transporter entweder gehemmt oder aktiviert werden. Die Konzentration eines Ions (nicht unbedingt des Ions, das es überträgt) in Lösung kann ebenfalls die Ionentransporter regulieren. Zum Beispiel kontrolliert die Anwesenheit von H⁺-Ionen in Lösung die Elektronentransportkette. Die Einführung einer Phosphatgruppe durch Proteinkinasen oder die Dephosphorylierung durch Phosphatasen kann die Aktivität des Transporters verändern. Die Aktivierung oder Hemmung des Transporters mit der Zugabe der Phosphatgruppe wird durch ein spezifisches Protein bestimmt.