KALZIUMPUMPE: FUNKTIONEN, TYPEN, STRUKTUR UND BETRIEB - BIOLOGIE - 2025

Die Kalziumpumpe ist eine Proteinstruktur, die für den Transport von Kalzium durch Zellmembranen verantwortlich ist. Diese Struktur ist von ATP abhängig und wird als ATPase-ähnliches Protein angesehen, das auch als Ca ²⁺ -ATPase bezeichnet wird.

Ca ²⁺ -ATPase kommt in allen Zellen eukaryotischer Organismen vor und ist für die Calciumhomöostase in der Zelle essentiell. Dieses Protein führt einen primären aktiven Transport durch, da die Bewegung von Calciummolekülen gegen ihren Konzentrationsgradienten geht.

SERCA kristallographische Struktur.
Quelle: Wcnsaffo

Funktionen der Kalziumpumpe

Ca ²⁺ spielt eine wichtige Rolle in der Zelle, daher ist seine Regulation in ihnen für ihre ordnungsgemäße Funktion wesentlich. Wirkt oft als zweiter Bote.

In extrazellulären Räumen ist die Ca ²⁺ -Konzentration ungefähr 10.000-mal höher als in Zellen. Eine erhöhte Konzentration dieses Ions im Zellzytoplasma löst verschiedene Reaktionen aus, wie Muskelkontraktionen, Freisetzung von Neurotransmittern und Abbau von Glykogen.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diese Ionen aus Zellen zu übertragen: passiver Transport (unspezifischer Austritt), Ionenkanäle (Bewegung zugunsten ihres elektrochemischen Gradienten), sekundärer aktiver Transport vom Anti-Träger-Typ (Na / Ca) und primärer aktiver Transport mit der Pumpe. ATP-abhängig.

Im Gegensatz zu den anderen Ca ²⁺ -Verdrängungsmechanismen arbeitet die Pumpe in Vektorform. Das heißt, das Ion bewegt sich nur in eine Richtung, so dass es nur funktioniert, indem es sie ausstößt.

Die Zelle ist äußerst empfindlich gegenüber Änderungen der Ca ²⁺ -Konzentration . Da ein so deutlicher Unterschied zu ihrer extrazellulären Konzentration besteht, ist es daher so wichtig, ihre normalen zytosolischen Spiegel effizient wiederherzustellen.

Typen

Drei Arten von Ca ²⁺ -ATPasen wurden in tierischen Zellen entsprechend ihrer Position in den Zellen beschrieben; Pumpen in der Plasmamembran (PMCA), solche im endoplasmatischen Retikulum und in der Kernmembran (SERCA) und solche in der Golgi-Apparatmembran (SPCA).

SPCA-Pumpen transportieren auch Mn ²⁺ -Ionen , die Cofaktoren verschiedener Enzyme in der Golgi-Apparat-Matrix sind.

Hefezellen, andere eukaryotische Organismen und Pflanzenzellen weisen andere Arten von ganz bestimmten Ca ²⁺ -ATPasen auf.

Struktur

PMCA-Pumpe

In der Plasmamembran finden wir den aktiven antiportalen Na / Ca-Transport, der für die Verdrängung einer signifikanten Menge an Ca ²⁺ in ruhenden und aktiven Zellen verantwortlich ist. In den meisten Zellen im Ruhezustand ist die PMCA-Pumpe für den Transport von Kalzium nach außen verantwortlich.

Diese Proteine ​​bestehen aus etwa 1.200 Aminosäuren und haben 10 Transmembransegmente. Es gibt 4 Haupteinheiten im Cytosol. Die erste Einheit enthält die terminale Aminogruppe. Die zweite hat grundlegende Eigenschaften, die es ihr ermöglichen, an aktivierende saure Phospholipide zu binden.

In der dritten Einheit befindet sich eine Asparaginsäure mit katalytischer Funktion und "stromabwärts" davon eine Fluoresceinisotocyanat-Bindungsbande in der ATP-Bindungsdomäne.

In der vierten Einheit befinden sich die Calmodulin-Bindungsdomäne, die Erkennungsstellen bestimmter Kinasen (A und C) und die allosterischen Ca ²⁺ -Bindungsbanden .

SERCA-Pumpe

SERCA-Pumpen kommen in großen Mengen im sarkoplasmatischen Retikulum von Muskelzellen vor und ihre Aktivität hängt mit der Kontraktion und Entspannung im Muskelbewegungszyklus zusammen. Seine Funktion besteht darin, Ca ²⁺ vom Zellzytosol zur Retikulummatrix zu transportieren.

Diese Proteine ​​bestehen aus einer einzelnen Polypeptidkette mit 10 Transmembrandomänen. Seine Struktur ist im Grunde die gleiche wie die von PMCA-Proteinen, unterscheidet sich jedoch darin, dass sie nur drei Einheiten im Zytoplasma haben, wobei sich das aktive Zentrum in der dritten Einheit befindet.

Die Funktion dieses Proteins erfordert ein Ladungsgleichgewicht während des Ionentransports. Zwei Ca ²⁺ (durch hydrolysiertes ATP) werden gegen einen sehr hohen Konzentrationsgradienten vom Cytosol zur Retikulummatrix verdrängt.

Dieser Transport erfolgt antiportal, da gleichzeitig zwei H ⁺ aus der Matrix auf das Cytosol gerichtet sind.

Funktionsmechanismus

SERCA-Pumpen

Der Transportmechanismus ist in zwei Zustände E1 und E2 unterteilt. In E1 sind die Bindungsstellen, die eine hohe Affinität für Ca ^{2+ aufweisen,} auf das Cytosol gerichtet. In E2 sind die Bindungsstellen auf das Lumen des Retikulums gerichtet und weisen eine geringe Affinität für Ca ^{2+ auf} . Die beiden Ca ²⁺ -Ionen binden sich nach dem Transfer.

Während der Bindung und des Transfers von Ca ²⁺ treten Konformationsänderungen auf, einschließlich der Öffnung der M-Domäne des Proteins in Richtung des Cytosols. Die Ionen binden dann leichter an die zwei Bindungsstellen der Domäne.

Die Vereinigung der beiden Ca ²⁺ -Ionen fördert eine Reihe von strukturellen Veränderungen im Protein. Darunter die Rotation bestimmter Domänen (Domäne A), die die Einheiten der Pumpe reorganisiert und es der Öffnung zur Retikulummatrix ermöglicht, die Ionen freizusetzen, die aufgrund der Abnahme der Affinität an den Bindungsstellen entkoppelt sind.

Die H ⁺ -Protonen und die Wassermoleküle stabilisieren die Ca ²⁺ -Bindungsstelle , wodurch die A-Domäne in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehrt und der Zugang zum endoplasmatischen Retikulum geschlossen wird.

PMCA-Pumpen

Dieser Pumpentyp kommt in allen eukaryotischen Zellen vor und ist für den Ausstoß von Ca ²⁺ in den extrazellulären Raum verantwortlich, um seine Konzentration innerhalb der Zellen stabil zu halten.

In diesem Protein wird ein Ca ²⁺ -Ion durch hydrolysiertes ATP transportiert. Der Transport wird durch die Spiegel des Calmodulin-Proteins im Zytoplasma reguliert.

Durch Erhöhen der Konzentration von cytosolischem Ca ²⁺ steigt der Calmodulinspiegel, der an Calciumionen bindet. Der Ca ²⁺ -Calmodulinkomplex baut sich dann an der Bindungsstelle der PMCA-Pumpe auf. In der Pumpe tritt eine Konformationsänderung auf, die es ermöglicht, die Öffnung dem extrazellulären Raum auszusetzen.

Calciumionen werden freigesetzt und stellen normale Werte in der Zelle wieder her. Folglich zerlegt sich der Ca ²⁺ -Calmodulinkomplex und bringt die Konformation der Pumpe in ihren ursprünglichen Zustand zurück.

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