Войти
Облегченная диффузия в клеточной мембране, показаны ионные каналы и белки-носители Облегченная диффузия (также известная как облегченный транспорт или пассивно-опосредованный транспорт ) - это процесс спонтанного пассивного транспорта (в отличие от активный транспорт ) молекул или ионов через биологическую мембрану через специфические трансмембранные интегральные белки. Будучи пассивным, облегченный транспорт не требует напрямую химической энергии от гидролиза АТФ на самой стадии переноса; скорее, молекулы и ионы движутся вниз по градиенту их концентрации, отражая его диффузионный характер.
Нерастворимые молекулы, диффундирующие через интегральный белок. Облегченная диффузия отличается от простой диффузии по нескольким причинам.
3D-рендеринг облегченной диффузии Полярные молекулы и большие ионы, растворенные в воде, не могут свободно диффундировать через плазматическую мембрану из-за гидрофобной природы хвостов жирных кислот фосфолипидов которые составляют липидный бислой. Только небольшие неполярные молекулы, такие как кислород и диоксид углерода, могут легко диффундировать через мембрану. Следовательно, небольшие неполярные молекулы транспортируются белками в форме трансмембранных каналов. Эти каналы закрыты, что означает, что они открываются и закрываются и, таким образом, нарушают регуляцию потока ионов или небольших полярных молекул через мембраны, иногда против осмотического градиента. Более крупные молекулы транспортируются трансмембранными белками-носителями, такими как пермеазы, которые меняют свою конформацию по мере переноса молекул (например, глюкоза или аминокислоты ). Неполярные молекулы, такие как ретинол или липиды, плохо растворимы в воде. Они транспортируются через водные компартменты клеток или через внеклеточное пространство с помощью водорастворимых носителей (например, связывающий ретинол белок ). Метаболиты не изменяются, поскольку для облегчения диффузии не требуется энергия. Только пермеаза меняет свою форму, чтобы транспортировать метаболиты. Форма переноса через клеточную мембрану, в которой модифицируется метаболит, называется групповой транслокацией транспортом.
Глюкоза, ионы натрия и ионы хлора - это всего лишь несколько примеров молекул и ионов, которые должны эффективно пересекать плазматическую мембрану, но для которых липидный бислой мембраны практически непроницаем. Следовательно, их транспорт должен «облегчаться» белками, которые проникают через мембрану и обеспечивают альтернативный путь или обходной механизм. Некоторыми примерами белков, которые опосредуют этот процесс, являются переносчики глюкозы, белки-переносчики органических катионов, переносчики мочевины, переносчики монокарбоксилата 8 и транспортер монокарбоксилата 10.
. Инженеры предпринимали различные попытки имитировать процесс облегченного переноса в синтетических (т. е. небиологических) мембранах для использования в разделении газа и жидкости в промышленных масштабах, но они имели ограниченный успех для на сегодняшний день, чаще всего по причинам, связанным с плохой стабильностью носителя и / или диссоциацией носителя от пассивного транспорта.
В живых организмах основные физические и биохимические процессы, необходимые для выживания, регулируются диффузия. Облегченная диффузия - это одна из форм диффузии, которая важна в нескольких метаболических процессах живых клеток. Одна жизненно важная роль облегченной диффузии заключается в том, что это основной механизм связывания факторов транскрипции (TF) с назначенными сайтами-мишенями на молекуле ДНК. Модель in vitro, которая представляет собой очень хорошо известный метод облегченной диффузии, которая имеет место вне живой клетки, объясняет трехмерную картину диффузии в цитозоле и 1-мерная диффузия по контуру ДНК. После проведения обширных исследований процессов, происходящих вне клетки, этот механизм был общепринятым, но возникла необходимость проверить, может ли этот механизм иметь место in vivo или внутри живых клеток. Поэтому Бауэр и Метцлер (2013) провели эксперимент с использованием бактериального генома, в котором они исследовали среднее время связывания ТФ-ДНК. После анализа процесса, в течение которого ТФ диффундируют по контуру и цитоплазме ДНК бактерий, был сделан вывод, что in vitro и in vivo схожи в том, что скорости ассоциации и диссоциации ТФ в ДНК и от ДНК аналогичны. в обоих. Кроме того, на контуре ДНК движение медленнее, и сайты-мишени легко локализовать, в то время как в цитоплазме движение происходит быстрее, но TF не чувствительны к своим целям, поэтому связывание ограничено.
Визуализация одиночных молекул - это метод визуализации, который обеспечивает идеальное разрешение, необходимое для изучения механизма связывания фактора транскрипции в живых клетках. В клетках прокариот бактерий, таких как E. coli, требуется облегченная диффузия для того, чтобы регуляторные белки локализовались и связывались с сайтами-мишенями на парах оснований ДНК. Есть 2 основных этапа: белок связывается с неспецифическим участком ДНК, а затем диффундирует по цепи ДНК до тех пор, пока не обнаруживает целевой участок, этот процесс называется скольжением. По данным Brackley et al. (2013), во время процесса скольжения белка белок ищет по всей длине цепи ДНК, используя трехмерные и одномерные модели диффузии. Во время трехмерной диффузии большое количество белков Краудера создает осмотическое давление, которое приближает исследуемые белки (например, Lac Repressor) к ДНК, чтобы увеличить их привлекательность и позволить им связываться, а также стерический эффект которые исключают белки Краудера из этой области (область оператора Lac). Белки-блокаторы участвуют только в 1-D диффузии, то есть связываются и диффундируют по контуру ДНК, а не в цитозоле.
Вышеупомянутая модель in vivo четко объясняет 3-D и 1-D диффузию вдоль цепи ДНК и связывание белков с сайтами-мишенями в цепи. Как и прокариотические клетки, у эукариот облегченная диффузия происходит в нуклеоплазме на хроматиновых филаментах, что объясняется динамикой переключения белка, когда он либо связан к хроматиновой нити или при свободном диффундировании в нуклеоплазму. Кроме того, учитывая, что молекула хроматина фрагментирована, необходимо учитывать ее фрактальные свойства. После расчета времени поиска целевого белка, чередования фаз 3-D и 1-D диффузии на фрактальной структуре хроматина, был сделан вывод, что облегченная диффузия у эукариот ускоряет процесс поиска и минимизирует время поиска за счет увеличения ДНК. сродство к белку.
Кислород связывается с эритроцитами в кровотоке. Сродство кислорода к гемоглобину на поверхности красных кровяных телец усиливает эту связывающую способность. В системе облегченной диффузии кислорода существует тесная взаимосвязь между лигандом, который представляет собой кислород, и носителем, которым является либо гемоглобин, либо миоглобин. Этот механизм облегченной диффузии кислорода гемоглобином или миоглобином был открыт и инициирован Виттенбергом и Шоландером. Они провели эксперименты, чтобы проверить установившееся состояние диффузии кислорода при различных давлениях. Облегченная кислородом диффузия происходит в гомогенной среде, где давление кислорода можно относительно контролировать. Для диффузии кислорода должно быть полное давление насыщения (больше) на одной стороне мембраны и полное пониженное давление (меньше) на другой стороне мембраны, т.е. одна сторона мембраны должна быть более высокой концентрации. Во время облегченной диффузии гемоглобин увеличивает скорость постоянной диффузии кислорода, и облегченная диффузия происходит, когда молекула оксигемоглобина смещается случайным образом.
Окись углерода имеет облегченный процесс диффузии, аналогичный процессу кислорода. Оба они используют высокое сродство гемоглобина и миоглобина к газу. Окись углерода также соединяется с гемоглобином и миоглобином с помощью облегченной диффузии, как и в кислороде, но скорость, с которой они реагируют, отличается друг от друга. Окись углерода имеет скорость диссоциации , которая в 100 раз меньше, чем у кислорода; его сродство к миоглобину в 40 раз выше и к гемоглобину в 250 раз по сравнению с кислородом.
Глюкоза представляет собой шестиуглеродный сахар, который обеспечивает энергию, необходимую клеткам. Поскольку глюкоза представляет собой большую молекулу, ее трудно транспортировать через мембрану посредством простой диффузии. Следовательно, он диффундирует через мембраны за счет облегченной диффузии вниз по градиенту концентрации . Белок-носитель на мембране связывается с глюкозой и изменяет свою форму, так что его можно легко транспортировать с одной стороны мембраны на другую. Движение глюкозы в клетку может быть быстрым или медленным в зависимости от количества протеина, пронизывающего мембраны. Он переносится против градиента концентрации зависимым глюкозным симпортером, который обеспечивает движущую силу для других молекул глюкозы в клетках. Облегченная диффузия способствует высвобождению накопленной глюкозы во внеклеточное пространство, прилегающее к капилляру крови.
