Облегченная диффузия - Facilitated diffusion

Облегченная диффузия в клеточной мембране, показывая ионные каналы и белки-носители

Облегченная диффузия (также известен как облегченный транспорт или же пассивно-опосредованный транспорт) - это процесс спонтанного пассивный транспорт (в отличие от активный транспорт ) молекул или ионов через биологическая мембрана через конкретные трансмембранные интегральные белки.[1] 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 диффундируют через цельный белок.

Облегченная диффузия отличается от простой распространение несколькими способами.

  1. транспорт основан на молекулярном связывании груза и встроенного в мембрану канала или белка-носителя.
  2. скорость облегченной диффузии является насыщаемой по отношению к разнице концентраций между двумя фазами; в отличие от свободной диффузии, которая линейна по разности концентраций.
  3. Температурная зависимость облегченного переноса существенно отличается из-за наличия активированного события связывания по сравнению со свободной диффузией, где зависимость от температуры мала.[2]
3D-рендеринг облегченной диффузии

Полярные молекулы и большие ионы, растворенные в воде, не могут свободно диффундировать через плазматическую мембрану из-за гидрофобный природа хвостов жирных кислот фосфолипиды которые составляют липидный бислой. Только небольшие неполярные молекулы, такие как кислород и углекислый газ, может легко диффундировать через мембрану. Следовательно, небольшие полярные молекулы транспортируются белками в форме трансмембранных каналов. Эти каналы закрыты, что означает, что они открываются и закрываются и, таким образом, нарушают регулирование потока ионов или небольших полярных молекул через мембраны, иногда против осмотического градиента. Более крупные молекулы транспортируются трансмембранными белками-носителями, такими как проникает, которые меняют свою конформацию как молекулы переносятся (например, глюкоза или же аминокислоты ). Неполярные молекулы, такие как ретинол или же липиды, плохо растворяются в воде. Они транспортируются через водные компартменты клеток или через внеклеточное пространство водорастворимыми носителями (например, ретинол-связывающий белок ). Метаболиты не изменяются, потому что для облегчения диффузии не требуется энергия. Только пермеаза изменяет свою форму, чтобы транспортировать метаболиты. Форма транспорта через клеточную мембрану, в которой модифицируется метаболит, называется групповая транслокация транспорт.

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. Некоторые примеры белков, которые опосредуют этот процесс: переносчики глюкозы, органические белки транспорта катионов, транспортер мочевины, транспортер монокарбоксилата 8 и транспортер монокарбоксилата 10.


Инженеры предпринимали различные попытки имитировать процесс облегченного переноса в синтетических (т. Е. Небиологических) мембранах для использования в промышленном масштабе разделения газов и жидкостей, но до настоящего времени они имели ограниченный успех, чаще всего по причинам, связанным с к плохой стабильности носителя и / или диссоциации носителя от пассивного транспорта.

Модель облегченной диффузии in vivo

В живых организмах основные физические и биохимические процессы, необходимые для выживания, регулируются распространение.[3] Облегченная диффузия - это одна из форм диффузии, которая важна для нескольких метаболических процессов живых клеток. Одна жизненно важная роль облегченной диффузии заключается в том, что это основной механизм связывания факторов транскрипции (TF) с назначенными сайтами-мишенями на ДНК молекула. Модель in vitro, которая представляет собой очень хорошо известный метод облегченной диффузии, которая имеет место вне живого клетка, объясняет трехмерную картину диффузии в цитозоль и одномерная диффузия по контуру ДНК.[4] 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. Бауэр и Метцлер (2013)[4] поэтому провели эксперимент с использованием бактериального генома, в котором они исследовали среднее время связывания TF-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 целевые сайты легко локализовать, находясь в цитоплазма, движение происходит быстрее, но TF не чувствительны к своим целям, поэтому привязка ограничена.

Облегченная внутриклеточная диффузия

Визуализация одиночных молекул - это метод визуализации, который обеспечивает идеальное разрешение, необходимое для изучения механизма связывания фактора транскрипции в живых клетках.[5] В прокариотический бактерии клетки, такие как Кишечная палочка, облегченная диффузия необходима для того, чтобы регуляторные белки находились и связывались с сайтами-мишенями на парах оснований ДНК.[3][5][6] Есть 2 основных этапа: белок связывается с неспецифическим участком ДНК, а затем диффундирует по цепи ДНК, пока не обнаруживает целевой участок, этот процесс называется скольжением.[3] 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.

Облегченная диффузия белков на хроматине

Вышеупомянутая модель in vivo четко объясняет 3-D и 1-D диффузию вдоль цепи ДНК и связывание белков с сайтами-мишенями на цепи. Как и прокариотические клетки, в эукариоты, облегченная диффузия происходит в нуклеоплазма на хроматин филаментов, что объясняется динамикой переключения белка, когда он либо связан с хроматиновой нитью, либо свободно диффундирует в нуклеоплазме.[7] 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.[7]

Для кислорода

Кислород связывается с эритроцитами в кровотоке. Сродство кислорода с гемоглобин на эритроцит поверхности усиливают эту склеивающую способность.[8] В системе облегченной диффузии кислорода существует тесная взаимосвязь между лиганд который является кислородом и носителем, который либо гемоглобин или же миоглобин.[9] Этот механизм облегченной диффузии кислорода за счет гемоглобин или же миоглобин был открыт и инициирован Виттенбергом и Шоландером.[10] Они провели эксперименты, чтобы проверить установившееся состояние распространение кислорода при различных давлениях. Диффузия с кислородом происходит в однородный окружающая среда, в которой можно относительно контролировать давление кислорода.[11][12] Для диффузии кислорода должно быть полное давление насыщения (больше) с одной стороны мембрана и полное пониженное давление (меньше) на другой стороне мембраны, то есть одна сторона мембраны должна иметь более высокую концентрацию. Во время облегченной диффузии гемоглобин увеличивает скорость постоянной диффузии кислорода, и облегченная диффузия происходит, когда оксигемоглобин молекула перемещается случайным образом.

Для окиси углерода

Монооксид углерода имеет облегченный процесс диффузии, похожий на кислород. 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.[12] но скорость, с которой они реагируют, отличается друг от друга. Окись углерода имеет диссоциацию скорость что в 100 раз меньше, чем у кислорода; его сродство к миоглобину в 40 раз выше и к гемоглобину в 250 раз выше, чем к кислороду.[13]

Для глюкозы

Глюкоза - это шестиуглеродный сахар, который обеспечивает клетки энергией. Поскольку глюкоза представляет собой большую молекулу, ее трудно транспортировать через мембрана через простое распространение.[14] Следовательно, он диффундирует через мембраны за счет облегченной диффузии вниз по градиент концентрации. В белок-носитель на мембране связывается с глюкозой и изменяет свою форму, так что ее можно легко переносить с одной стороны мембраны на другую.[15] Движение глюкозы в клетку может быть быстрым или медленным в зависимости от количества протеина, пронизывающего мембрану. Он переносится против градиента концентрации зависимой глюкозой. сторонник который обеспечивает движущую силу для других молекул глюкозы в клетках. Облегченная диффузия способствует высвобождению накопленной глюкозы во внеклеточное пространство, прилегающее к кровяной капилляр.[15]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Пратт CA, Voet D, Voet JG (2002). Основы модернизации биохимии. Нью-Йорк: Вили. С. 264–266. ISBN  0-471-41759-9.
  2. ^ Фридман, Мортон (2008). Принципы и модели биологического транспорта. Springer. ISBN  978-0387-79239-2.
  3. ^ а б c Кленин, Константин В .; Мерлиц, Хольгер; Ланговски, Йорг; Ву, Чен-Сюй (2006). «Облегченная диффузия ДНК-связывающих белков». Письма с физическими проверками. 96 (1): 018104. arXiv:физика / 0507056. Дои:10.1103 / PhysRevLett.96.018104. ISSN  0031-9007. PMID  16486524.
  4. ^ а б Бауэр М., Мецлер Р. (2013). «Модель облегченной диффузии in vivo». PLoS ONE. 8 (1): e53956. arXiv:1301.5502. Bibcode:2013PLoSO ... 853956B. Дои:10.1371 / journal.pone.0053956. ЧВК  3548819. PMID  23349772.
  5. ^ а б Hammar, P .; Leroy, P .; Махмутович, А .; Marklund, E. G .; Berg, O.G .; Эльф, Дж. (2012). «Lac Repressor показывает облегченную диффузию в живых клетках». Наука. 336 (6088): 1595–1598. Bibcode:2012Научный ... 336.1595H. Дои:10.1126 / science.1221648. ISSN  0036-8075. PMID  22723426.
  6. ^ Brackley CA, Cates ME, Marenduzzo D (сентябрь 2013 г.). «Внутриклеточное облегченное распространение: искатели, крауддеры и блокаторы». Phys. Rev. Lett. 111 (10): 108101. arXiv:1309.1010. Bibcode:2013PhRvL.111j8101B. Дои:10.1103 / PhysRevLett.111.108101. PMID  25166711.
  7. ^ а б Бенишу О., Шевалье С., Мейер Б., Войтурие Р. (январь 2011 г.). «Облегченная диффузия белков на хроматин». Phys. Rev. Lett. 106 (3): 038102. arXiv:1006.4758. Bibcode:2011PhRvL.106c8102B. Дои:10.1103 / PhysRevLett.106.038102. PMID  21405302.
  8. ^ Крейцер, Ф. (1970). «Облегченная диффузия кислорода и его возможное значение; обзор». Физиология дыхания. 9 (1): 1–30. Дои:10.1016/0034-5687(70)90002-2. ISSN  0034-5687. PMID  4910215.
  9. ^ Jacquez JA, Kutchai H, Daniels E (июнь 1972 г.). «Диффузия кислорода, облегчаемая гемоглобином: межфазные эффекты и эффекты толщины» (PDF). Респир физиол. 15 (2): 166–81. Дои:10.1016/0034-5687(72)90096-5. HDL:2027.42/34087. PMID  5042165.
  10. ^ Рубинов С.И., Дембо М. (апрель 1977 г.). «Облегченная диффузия кислорода гемоглобином и миоглобином». Биофиз. J. 18 (1): 29–42. Bibcode:1977BpJ .... 18 ... 29R. Дои:10.1016 / S0006-3495 (77) 85594-X. ЧВК  1473276. PMID  856316.
  11. ^ Kreuzer F, Hoofd LJ (май 1972 г.). «Факторы, влияющие на облегчение диффузии кислорода в присутствии гемоглобина и миоглобина». Респир физиол. 15 (1): 104–24. Дои:10.1016/0034-5687(72)90008-4. PMID  5079218.
  12. ^ а б Виттенберг JB (январь 1966 г.). «Молекулярный механизм диффузии кислорода, облегченной гемоглобином». J. Biol. Chem. 241 (1): 104–14. PMID  5901041.
  13. ^ Мюррей Дж. Д., Вайман Дж. (Октябрь 1971 г.). «Облегченная диффузия. Случай окиси углерода». J. Biol. Chem. 246 (19): 5903–6. PMID  5116656.
  14. ^ Торенс Б (1993). «Облегченные переносчики глюкозы в эпителиальных клетках». Анну. Преподобный Physiol. 55: 591–608. Дои:10.1146 / annurev.ph.55.030193.003111. PMID  8466187.
  15. ^ а б Каррутерс, А. (1990). «Облегченная диффузия глюкозы». Физиологические обзоры. 70 (4): 1135–1176. Дои:10.1152 / Physrev.1990.70.4.1135. ISSN  0031-9333. PMID  2217557.

внешняя ссылка