Membrane transport systems

-Membrane transport systems
 과생산된 영양성분의 이동과 방출은 세포에서 일어나는 일 중 중요한 역할을한다. 이동을 위한 다른 mechanisms는 prokaryotes에서 매우 혁명적이며, 이 각각은 단일의 특색을 가지게 된다. Membrane transport proteins의 기능과 구조를 살펴보면, prokaryotes에서는 기질을 이동시키기 위한 세 가지 system이 존재한다.
그 세 가지를 각각 simple transport, group translocation, 그리고 ABC system이라고 한다. 단순한 transporters는 세포막에 박힌 단백질만을 필요로 한다. Group translocation은 transport가 일어나는 사건에서 protein이 연속으로 존재해야 한다. ABC system은 substrate-binding protein, membrane transporter, 그리고 ATP-hydrolyzing  protein을 필요로 한다.
Transport systems의 모든 것은 proton mortive force라는 에너지, ATP에서 온 에너지, 또는 에너지를 많이 가지고 있는 다른 compound에서 에너지를 얻는다.
사실상 모든 박테리아의 transport systems의 membrane에 박혀있는 protein에서는 그들의 1차, 2차 구조에서 significant homologies를 볼 수 있는데, 이는 그들의 일반적 evolutionary roots에 근거한다고 볼 수 있다. 구조적으로, 이 transproters의 형태는 12개의 α-helices로 구성되어 있는데 이것은 membrane에 박혀있는 형태로 존재하고 이동하는 기질이 channel을 통과할 수 있도록 형태가 구성되어 있어서 cell 밖의 기질을 cell 안으로 들어올 수 있도록 도와주는 역할을 한다.
활성을 띈 transport event는 기질이 protein에 binding 된 후 protein의 conformational change가 일어나면서 transport가 일어나고, 이 event는 기질이 cell 안으로 membrane을 가로질러서 들어올 수 있도록 도와주는 역할을 한다.

Transporters의 최소의 세 가지 classes는 각각 Uniporters, Symporters, Antiporters라고 명명한다.
   Uniporters : 단일 물질이 혼자서 membrane에 박혀있는 protein을 가로질러서 cell 안으로 들어갈 수 있는 것을 말한다.
   Symporters : 다른 기질과 필요한 기질이 서로 binding해서 같은 방향으로 membrane에 박힌 protein을 가로질러서 cell안으로 들어가는 것을 이야기한다.
   Antiporters : 이들의 이름은 implies라고 하고, cell 바깥의 기질이 cell 안의 기질과 서로 다른 방향으로 protein을 가로질러서 cell안으로 들어가는 것을 이야기한다.

Lactose Uptake in Escherichia coli : The Lac permease

박테리아에 속하는 microorganisms 중 대표적인 Escherichia coli(E.coli)는 disaccharide sugar인 lactose를 이용해서 대사를 한다. Lactose는 Lac permease라고 불리는 symporter의 activity를 통해서 E.coli의 세포 안으로 들어가게 된다. Lac permease는 simple transporter이다. Lac permease의 activity는 uniporters 또는 antiporters와 같은 기능을 가진 것을 포함하는 다른 simple transporters와 함께 compare되어 있다.
Lac permease는 에너지를 필요로한다. 각각의 latose molecule은 cell 안의 수소의 co-transport에 의해서 느리게 감소되는 proton motive force에 의해서 에너지를 얻는다. 
Lac permease의 activity의 결과 생긴 net charge는 cell을 위해서 사용될 수 있는 에너지의 yield를 이용해 대사할 수 있는 높은 농도의 Lactose를 축적하는 데 이용된다.

Group translocation : The phosphotransferase system

Transport 되는 기질의 transport mechanism인 group translocation은 membrane을 가로질러서 통과하는 동안 사용되는 화학적 과정이다.
Group translocation을 살펴보는 가장 좋은 방법은 E.coli 내부의 glucose, mannose, fructose 등의 sugars의 transport를 살펴보면 된다.
이 compounds는 phosphotransferase system에 의해서 phosphorylation되어 옮겨진다.
이 phosphotransferase system은 protein으로 구성되어 있는데, 이것은 5개의 protein을 필요로 한다. 
Sugar가 옮겨지기 전에, phosphotransferase system의 protein은 membrane에 박혀있는 protein에 전달되기 전에 그들 스스로 증폭되어 phosphorylation과 dephosphorylation이 되는데, 이러한 일을 하는 효소를 Enzyme Ⅱc라고 하고, 이것은 phosphate group을 옮겨주고, actual transport event에 의해서 sugar에 phosphorylation을 한다.
한 작은 protein을 HPr이라고 하고, EnzymeⅠ이 phosphorylation에 관여하고, EnzymeⅡa는 cytoplasmic protein이다. 대조적으로 EnzymeⅡb는 내부 membrane 표면에 누워있고, EnzymeⅡc는 membrane에 박혀있는 단백질이다. HPr과 EnzymeⅠ은 특이한 Enzyme Ⅱ 가 각각의 독립적인 sugar를 transport하기 위해 존재하는 동안 다양한 sugars의 ,uptake에 관여하는 것과 phosphotransferase system의 특별하지 않은 components이다.
Phosphotransferase system으로부터 얻은 에너지는 phosphoenolpyruvate라는 에너지를 많이 가지고 있는 compound로부터 온다. 그러나, 하나의 에너지를 많이 가지고 있는 phosphate bond의 형태에서 온 에너지일지도 특색있는 이것은 glucose molecule을 옮기는 process에 포함되어있다.
Glucose에서 glucose-6-phosphate로 phosphorylation하는 것은 세포 내부의 대사 과정에서 첫 번째 step이다. 그러므로, phosphotransferase system은 중앙의 대사 과정에서 직접 들어가기 위한 glocose의 준비과정이라고 할 수 있다.

Periplasmic binding proteins and the ABC system

Periplasm은 다양한 protein으로 구성되어 있고, transport의 많은 기능을 가지고 있다. 이것을 periplasmic binding protein이라고 한다.
Transport system은 세 가지 components로 나뉘어 볼 수 있다.
① Periplasmic binding proteins
② Membrane spanning proteins
③ ATP-hydrolyzing proteins(kinase)

이 중 마지막 것은 에너지를 필요로 하는 것이다. 이러한 type 의 transporters는 ABC transport system이라고 불리어 졌는데, 그 이유는 ATP를 binding 하는 cascatte를 위해서 ABC가 사용되기 때문이다.
200개 이상이 되는 서로 다른 ATP transport systems는 prokaryotes에서는 동일하게 나타나는데, 이러한 transporter의 구조적 연구는 연관된 protein의 family를 밝히는 것이 그 목적이다.
ABC transporters는 sugars와 amino acids와 같은 organic nutrients를 위해서 존재하는데, 이것 뿐만 아니라 sulfate와 phosphate와 같은 inorganic nutrients와 소량의 금속들을 위해서 존재한다.
ABC type transport systems의 흥미로운 특성 중 하나는 periplasmic-binding proteins의, substrate와 높은 친화력을 갖는다는 점이다.
이 proteins는 periplasms 안에서 움직일 수 있고, substrates의 농도가 매우 낮을 때에도 binding 할 수가 있다. 예를 들어, substrate의 농도가 1 micromolar(10¯6 M) 또는 이것보다 더 작은 농도일 때에도 쉽게 binding 할 수 있고, periplasmic binding proteins에 의해서 옮겨질 수도 있다. 각각의 membrane에 박혀있는 component와 함게 complex가 interacts 하고, ATP의 energy를 사용하여 transport event가 일어나게 된다.
흥미롭게도, Gram positive bacteria 는 periplasm이 없는데도 불구하고, binding protein에 의존하는 transport systems는 이 organisms의 많은 것에서 찾아볼 수 있다. 그러나, Gram positive bacteria에서, 특별한 binding proteins는 cytoplasmic membrane에 박혀있는 상태로 존재한다. 이와는 대조적으로, Gram negative bacteria에서, 이것의 binding protein에 binding 하는 그들의 substrate, 그들은 membrane에 박혀있는 component와 함께 상호작용을 하고, ATP의 사용으로, membrane을 통과하는 transport가 일어난다.

Protein Export
지금까지 우리는 transport의 논의를 small molecules에 초점을 잡아서 설명해 왔다. Proteins같은 large molecules의 transport는 어떻게 일어날까? 적당한 기능을 이용해서, 많은 proteins이 cytoplasmic membrane의 바깥쪽 물질을 옮기기 위해 필요하거나 또는 특별한 방법으로 membrane 안으로 들어올 수 있게 된다.
Prokaryotic cells에서 일어나는 protein translocation은 translocases라고 불리는 proteins의 활성에 츼해서 일어나는데, 이것의 주요 요소중 하나는 Sec(for secretory) system이다.
예를 들어, SecYEG는, membrane에 결합되어진 translocase인데, 이것은 그들의 기능과 함께 특이한 orientation consistent의 membrane 내에서 다른 것들과 inserting 되어 있다.
어떤 translocases는 매우 특이적으로 proteins를 밖으로 내보낼 수도 있지만, 그러나 SecYEG는 prokaryotes사이에서 광범위하게 분포되어 있고, 다양한 서로 다른 proteins를 translocation 할 수 있다. 
Protein export는 bacteria에서 매우 중요한데, 그 이유는 많은 bacterial enzymes의 기능에 필요한 것들이 cell 밖에서 많이 생성되기 때문이다(Exoenzymes)
예를 들어, amylase 또는 cellulose 같은 hydrolytic exoenzymes는 그들이 glucose의 연결체인 starch나 cellulos를 분해할 때 cell의 environments에서 연속적으로 분비된다.
이러한 작용은 세포가 탄소를 enzyme source로 이용하기 위해서 일어난다.
무엇보다도, 많은 pathogenic bacteria는 host cell에 들어가 있는 동안 다른 해로운 proteins이나 protein toxins 등을 분비한다.
모든 이러한 large molecules는 cytoplasmic membrane을 통해서 이동하는 데 필요하고, SecYEG 같은 translocases는 이러한 transport가 일어나도록 하는 데 도움을 준다.