تشكل البروتينات الناقلة جزءًا مهمًا من البروتينات المرتبطة بالغشاء، ويتم التعبير عنها عادةً في جميع الأعضاء المشاركة في امتصاص الأدوية وتوزيعها والتخلص منها، بما في ذلك الجهاز الهضمي والحاجز الدموي الدماغي والكبد والكليتين.

 

ما هي البروتينات الناقلة

 

البروتينات الحاملة هي بروتينات تنقل المواد من أحد جوانب الغشاء البيولوجي إلى الجانب الآخر، وتم العثور على العديد من البروتينات الحاملة في غشاء الخلية، على الرغم من أنها قد توجد أيضًا في أغشية العضيات الداخلية مثل الميتوكوندريا، والبلاستيدات الخضراء والنواة.

 

بروتينات القناة

 

البروتينات الحاملة وبروتينات القناة هما نوعان من بروتينات نقل الغشاء، وفي حين أن بروتينات القناة هي بالضبط ما تبدو عليه بروتينات تفتح قنوات في غشاء الخلية، مما يسمح للجزيئات بالتدفق إلى الداخل والخارج على طول تدرج تركيزها، فإن البروتينات الحاملة مفتوحة فقط على جانب واحد من الغشاء المعني في كل مرة.

 

وفي حين أن قناة الصوديوم والبوتاسيوم قد تفتح ببساطة وتسمح للأيونات بالتدفق من جانب إلى آخر، وعلى سبيل المثال، يرتبط البروتين الحامل المعروف بمضخة الصوديوم والبوتاسيوم بالأيونات على جانب واحد من الغشاء، ثم يغير شكله ليحملها من خلال إلى الجانب الآخر دون فتح قناة.

 

هذا يجعل البروتينات الحاملة مفيدة للنقل النشط، حيث يجب حمل المادة مقابل تدرج تركيزها في اتجاه لا تتدفق فيه بشكل طبيعي، ومع ذلك، يمكن أيضًا استخدام البروتينات الحاملة للانتشار الميسر، وهو شكل من أشكال النقل السلبي، وعادةً ما يكون للبروتينات الحاملة “موقع ارتباط” يرتبط فقط بالمادة التي يفترض أن تحملها.

 

فمضخة الصوديوم والبوتاسيوم، على سبيل المثال، لها مواقع ارتباط لن ترتبط إلا بهذه الأيونات، وبمجرد أن يرتبط البروتين الحامل بكمية كافية من مادته المستهدفة، يتغير شكل البروتين “ليحمل” المادة من جانب واحد من الغشاء إلى الجانب الآخر.

 

وظيفة البروتينات الناقلة

 

تعد البروتينات الحاملة من أكثر البروتينات شيوعًا في العالم، وبعضها من أهمها للحفاظ على الحياة، وتعتمد قدرة الخلية على أداء وظائف الحياة على قدرتها على الحفاظ على الفرق بين البيئة داخل الخلايا وخارجها، وهنا يأتي دور البروتينات الحاملة، ففي داخل الجسم، يتم تشغيل جميع خلايانا العصبية بواسطة تدرج الصوديوم والبوتاسيوم الذي يتم إنشاؤه بواسطة مضخة الصوديوم والبوتاسيوم.

 

ويرتبط هذا البروتين الحامل بأيونات الصوديوم على جانب واحد من الغشاء، وأيونات البوتاسيوم على الجانب الآخر، ومن ثم يرتبط البروتين الحامل بـ ATP، ويستخدم طاقة ATP لضخ هذه الأيونات عبر غشاء الخلية في اتجاهين متعاكسين.

 

هذا التدرج في الصوديوم والبوتاسيوم هو الذي يسمح للخلايا العصبية بإطلاق النار، وهو ما يسمح لنا بالتحرك والتفكير وإدراك العالم من حولنا، وحتى الحفاظ على قلوبنا نابضة، والبروتينات الحاملة التي تنقل البروتونات عبر غشاء الميتوكوندريا لإنشاء تدرج تركيز هناك مسؤولة أيضًا عن تكوين معظم ATP الذي تصنعه الخلايا حقيقية النواة، وتستخدم الميتوكوندريا إنزيم سينسيز ATP لتحويل طاقة تدرج التركيز هذا إلى طاقة ATP

 

الأعراض الشائعة للبروتينات الناقلة

 

  • إنشاء تدرجات أيونية تسمح للخلايا العصبية بالعمل.

 

  • خلق التدرجات الأيونية التي تسمح للميتوكوندريا بالعمل.

 

  • إنشاء تدرجات أيونية تسمح للبلاستيدات الخضراء بالعمل في عملية التمثيل الضوئي.

 

  • نقل الجزيئات الكبيرة مثل السكريات والدهون داخل وخارج الخلايا.

 

أنواع البروتينات الناقلة

 

النقل النشط

 

تتطلب البروتينات الحاملة للنقل النشط طاقة لتحريك المواد ضد تدرج تركيزها، وقد تأتي هذه الطاقة في شكل ATP الذي يستخدمه البروتين الحامل مباشرة، أو قد تستخدم الطاقة من مصدر آخر، وتستخدم العديد من البروتينات الحاملة للنقل النشط، مثل مضخة الصوديوم والبوتاسيوم، الطاقة المخزنة في ATP لتغيير شكلها ونقل المواد عبر تدرج النقل.

 

ويشار أحيانًا إلى المضخات التي تمارس “النقل الثانوي النشط” باسم “الناقلات المزدوجة”، وتستخدم هذه المضخات النقل “المنحدر” لمادة ما حتى تدفع النقل “صعودًا” لمادة أخرى.

 

نشر الميسر

 

يمكن للبروتينات الحاملة أيضًا أن تحمل المواد في اتجاه “منحدر”  أي أن تحملها إلى أسفل منحدر تركيزها، في الاتجاه الذي “تريد” المادة أن تذهب إليه، أحد الأمثلة على ذلك هو حامل البوتاسيوم فالينومايسين، الذي يرتبط بأيونات البوتاسيوم ويغير شكله ليطلقها على الجانب الآخر من الغشاء.

 

أمثلة على البروتينات الناقلة

 

مضخة الصوديوم والبوتاسيوم

 

تستخدم مضخة الصوديوم والبوتاسيوم ATP لنقل أيونات الصوديوم والبوتاسيوم مقابل تدرج النقل ويرتبط البروتين بأيونات الصوديوم داخل الخلية، بينما يرتبط في نفس الوقت بأيونات البوتاسيوم داخل الخلية، وبمجرد أن يرتبط بعدد كافٍ من الأيونات على كلا الجانبين، فإنه يرتبط بجزيء ATP، ومن خلال إطلاق الطاقة المخزنة في ATP، فإنه يغير شكله لتحريك مجموعتي الأيونات إلى الجانب الآخر من الغشاء.

 

تعد مضخة الصوديوم والبوتاسيوم ضرورية لوظيفة الأعصاب للحيوانات، ويقدر أنها تستخدم حوالي 20-25 ٪ من جميع ATP في جسم الإنسان، وذلك لأن الخلايا العصبية تطلق “إشارات كهروكيميائية” يتم إنشاؤها عن طريق تحريك الجسيمات المشحونة، أي أيونات الصوديوم والبوتاسيوم، من جانب واحد من غشاء الخلية العصبية إلى الجانب الآخر بسرعة كبيرة، ولا يمكن إنشاء هذه الجهود إلا إذا كان هناك اختلاف شديد في التركيز بين أيونات الصوديوم والبوتاسيوم داخل الخلايا مقابل خارجها.

 

وهذا هو السبب في أن الأمراض التي تصيب الكلى، والتي تتحكم في كيفية تصدير أو احتفاظنا بالأيونات في البول، يمكن أن تكون خطيرة، ومن الآثار الجانبية النادرة لمرض السكري، على سبيل المثال، نقص بوتاسيوم الدم أو عدم وجود كمية كافية من البوتاسيوم في الدم، مما قد يعطل وظيفة الخلايا العصبية التي تحرك عضلة القلب.

 

الجلوكوز والصوديوم (Cotransport)

 

يعتبر بروتين ناقل الجلوكوز-الصوديوم مثالًا جيدًا للبروتين الذي يستخدم “النقل النشط الثانوي، عن طريق” بشكل غير مباشر “باستخدام ATP، ولتشغيل مضخة الجلوكوز والصوديوم، تسمح الخلية بوجود زوجين من أيونات الصوديوم بالداخل جنبًا إلى جنب مع الجلوكوز.

 

ويرتبط البروتين الحامل بكل من جزيء الجلوكوز – الذي “لا يريد” أن يتحرك داخل الخلية – وأيوني الصوديوم، اللذان يرغبان في خفض تدرج تركيزهما إلى الخلية، وتتجاوز طاقة أيونات الصوديوم التي “ترغب” في دخولها الخلية مقاومة الجلوكوز، ويتم نقل جميع الجسيمات الثلاثة إلى الخلية معًا، وهذا يعني المزيد من العمل لمضخة الصوديوم والبوتاسيوم في غشاء الخلية، والتي سيتعين عليها استخدام ATP لضخ الصوديوم للخارج من أجل الحفاظ على هذا التدرج الحيوي.

 

فالينوميسين: ناقل نقل سلبي

 

فالينوميسين هو بروتين يرتبط بالبوتاسيوم وينقله عبر غشاء الخلية إلى أسفل تدرج تركيزه، في الاتجاه الذي يريده البوتاسيوم للتحرك، ويوجد في أغشية الخلايا للبكتيريا العقدية، التي تستخدمها عندما “تريد” إخراج البوتاسيوم من خلاياها، وتمنحه درجة انتقائية عالية للبوتاسيوم فقط على الوسائل الأخرى لإنجاز هذا النقل، والتي قد تكون أكثر عرضة لتحريك الأيونات الأخرى مثل الصوديوم.

 

 مصطلح “فالينومايسين” اسم مضاد حيوي، يستخدم (Valinomycin) أيضًا كمضاد حيوي لمحاربة البكتيريا مثل البكتيريا، لأن إدخالها بشكل مصطنع إلى البكتيريا يمكن أن يدمر تدرجها الكهروكيميائي، وللسبب نفسه، يمكن أن يكون الفالينوميسين أيضًا سمًا عصبيًا قويًا؛ وإذا وصل إلى الخلايا العصبية، فيمكنه أيضًا تعطيل تدرج الصوديوم والبوتاسيوم بشكل خطير.

 

ويمكننا القول بأن العملية التي ينقل بها البروتين الحامل جزيء مذابًا عبر الطبقة الدهنية الثنائية تفاعل الإنزيم  الركيزة، وفي العديد من الطرق تتصرف الحاملات مثل الإنزيمات، وعلى عكس تفاعلات الركيزة الإنزيمية العادية، لا يتم تعديل المادة المذابة المنقولة تساهميًا بواسطة البروتين الحامل، ولكن بدلاً من ذلك يتم تسليمها دون تغيير إلى الجانب الآخر من الغشاء.