stringtranslate.com

Облегченная диффузия

Облегченная диффузия в клеточной мембране, показывающая ионные каналы и белки-переносчики

Облегченная диффузия (также известная как облегченный транспорт или пассивно-опосредованный транспорт ) — это процесс спонтанного пассивного транспорта (в отличие от активного транспорта ) молекул или ионов через биологическую мембрану посредством специфических трансмембранных интегральных белков . [1] Будучи пассивным, облегченный транспорт не требует напрямую химической энергии от гидролиза АТФ на самом этапе транспорта; вместо этого молекулы и ионы движутся вниз по градиенту концентрации в соответствии с принципами диффузии .

Нерастворимые молекулы, диффундирующие через интегральный белок.

Облегченная диффузия отличается от простой диффузии несколькими признаками:

  1. Транспорт основан на молекулярном связывании между грузом и встроенным в мембрану каналом или белком-носителем.
  2. Скорость облегченной диффузии насыщается относительно разницы концентраций между двумя фазами, в отличие от свободной диффузии, которая линейна относительно разницы концентраций.
  3. Температурная зависимость облегченного транспорта существенно отличается из-за наличия активированного события связывания по сравнению со свободной диффузией, где зависимость от температуры слабая. [2]
3D-рендеринг облегченной диффузии

Полярные молекулы и крупные ионы, растворенные в воде, не могут свободно диффундировать через плазматическую мембрану из-за гидрофобной природы жирнокислотных хвостов фосфолипидов , которые составляют липидный бислой . Только мелкие неполярные молекулы, такие как кислород и углекислый газ , могут легко диффундировать через мембрану. Следовательно, мелкие полярные молекулы транспортируются белками в форме трансмембранных каналов. Эти каналы являются закрытыми, что означает, что они открываются и закрываются, и таким образом дерегулируют поток ионов или мелких полярных молекул через мембраны , иногда против осмотического градиента. Более крупные молекулы транспортируются трансмембранными белками-переносчиками, такими как пермеазы , которые изменяют свою конформацию по мере переноса молекул (например, глюкозы или аминокислот ). Неполярные молекулы, такие как ретинол или липиды , плохо растворимы в воде. Они транспортируются через водные отсеки клеток или через внеклеточное пространство водорастворимыми переносчиками (например, ретинолсвязывающим белком ). Метаболиты не изменяются, поскольку для облегченной диффузии не требуется энергия. Только пермеаза изменяет свою форму для транспортировки метаболитов. Форма транспорта через клеточную мембрану, при которой метаболит модифицируется, называется групповым транслокационным 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. Поэтому их транспорт должен быть «облегчен» белками, которые пронизывают мембрану и обеспечивают альтернативный путь или обходной механизм. Некоторые примеры белков, которые опосредуют этот процесс, — это переносчики глюкозы , белки переноса органических катионов , переносчик мочевины , переносчик монокарбоксилата 8 и переносчик монокарбоксилата 10 .

Модель облегченной диффузии in vivo

Многие физические и биохимические процессы регулируются диффузией . [3] Облегченная диффузия является одной из форм диффузии и важна в нескольких метаболических процессах. Облегченная диффузия является основным механизмом связывания факторов транскрипции (TF) с определенными целевыми участками на молекуле ДНК . Модель in vitro, которая является очень известным методом облегченной диффузии, которая происходит вне живой клетки , объясняет трехмерную картину диффузии в цитозоле и одномерную диффузию вдоль контура ДНК. [4] После проведения обширных исследований процессов, происходящих вне клетки, этот механизм был общепринятым, но необходимо было проверить, может ли этот механизм иметь место in vivo или внутри живых клеток. Поэтому Бауэр и Метцлер (2013) [4] провели эксперимент с использованием бактериального генома, в котором они исследовали среднее время для связывания TF-ДНК. После анализа процесса на предмет времени, необходимого для диффузии ТФ через контур и цитоплазму ДНК бактерий, был сделан вывод, что in vitro и in vivo схожи в том, что скорости ассоциации и диссоциации ТФ с ДНК и от нее в обоих случаях схожи. Кроме того, на контуре ДНК движение происходит медленнее, и целевые участки легко локализовать, тогда как в цитоплазме движение происходит быстрее, но ТФ нечувствительны к своим мишеням, и поэтому связывание ограничено.

Внутриклеточная облегченная диффузия

Визуализация отдельных молекул — это метод визуализации, который обеспечивает идеальное разрешение, необходимое для изучения механизма связывания факторов транскрипции в живых клетках. [5] В клетках прокариотических бактерий, таких как E. coli , облегченная диффузия необходима для того, чтобы регуляторные белки могли обнаружить и связать целевые участки на парах оснований ДНК. [3] [5] [6] В этом процессе задействованы 2 основных этапа: белок связывается с неспецифическим участком ДНК, а затем диффундирует вдоль цепи ДНК, пока не найдет целевой участок, этот процесс называется скольжением. [3] Согласно Brackley et al. (2013), в процессе скольжения белка белок просматривает всю длину цепи ДНК, используя трехмерные и одномерные шаблоны диффузии. Во время 3-D диффузии высокая частота белков Crowder создает осмотическое давление, которое приближает белки-искатели (например, Lac Repressor) к ДНК, увеличивая их притяжение и позволяя им связываться, а также стерический эффект , который исключает белки Crowder из этой области (область оператора Lac). Белки-блокаторы участвуют только в 1-D диффузии, т.е. связываются и диффундируют по контуру ДНК, а не в цитозоле.

Облегченная диффузия белков на хроматине

Модель in vivo, упомянутая выше, ясно объясняет 3-D и 1-D диффузию вдоль цепи ДНК и связывание белков с целевыми участками на цепи. Так же, как и в прокариотических клетках, в эукариотах облегченная диффузия происходит в нуклеоплазме на хроматиновых филаментах, 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, чередуя 3-D и 1-D фазы диффузии на фрактальной структуре хроматина, был сделан вывод, что облегченная диффузия в эукариотах ускоряет процесс поиска и минимизирует время поиска за счет увеличения сродства ДНК-белок. [7]

Для кислорода

Сродство кислорода к гемоглобину на поверхности эритроцитов усиливает эту способность к связыванию. [8] В системе облегченной диффузии кислорода существует тесная связь между лигандом , которым является кислород, и переносчиком, которым является либо гемоглобин, либо миоглобин . [9] Этот механизм облегченной диффузии кислорода гемоглобином или миоглобином был открыт и инициирован Виттенбергом и Шоландером. [10] Они провели эксперименты для проверки стационарного состояния диффузии кислорода при различных давлениях. Облегченная кислородом диффузия происходит в однородной среде, где давление кислорода можно относительно контролировать. [11] [12] Для того чтобы произошла диффузия кислорода, должно быть полное давление насыщения (больше) с одной стороны мембраны и полное пониженное давление (меньше) с другой стороны мембраны, т. е. одна сторона мембраны должна иметь более высокую концентрацию. Во время облегченной диффузии гемоглобин увеличивает скорость постоянной диффузии кислорода, а облегченная диффузия происходит, когда молекула оксигемоглобина случайно смещается.

Для оксида углерода

Облегченная диффузия оксида углерода похожа на диффузию кислорода. Окись углерода также соединяется с гемоглобином и миоглобином, [12] но оксид углерода имеет скорость диссоциации в 100 раз меньше, чем у кислорода. Его сродство к миоглобину в 40 раз выше, а к гемоглобину в 250 раз выше, чем у кислорода. [13]

Для глюкозы

Поскольку глюкоза является большой молекулой, ее диффузия через мембрану затруднена. [14] Следовательно, она диффундирует через мембраны посредством облегченной диффузии вниз по градиенту концентрации . Белок-носитель на мембране связывается с глюкозой и изменяет ее форму таким образом, что ее можно легко транспортировать. [15] Движение глюкозы в клетку может быть быстрым или медленным в зависимости от количества белков, пронизывающих мембрану. Она транспортируется против градиента концентрации зависимым симпортером глюкозы , который обеспечивает движущую силу для других молекул глюкозы в клетках. Облегченная диффузия помогает высвобождению накопленной глюкозы во внеклеточное пространство, прилегающее к кровеносному капилляру . [15]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Пратт Калифорния, Voet D, Voet JG (2002). Основы повышения биохимии . Нью-Йорк: Уайли. стр. 264–266. ISBN 0-471-41759-9.
  2. ^ Фридман, Мортон (2008). Принципы и модели биологического транспорта . Springer. ISBN 978-0387-79239-2.
  3. ^ abc Кленин, Константин В.; Мерлиц, Хольгер; Ланговски, Йорг; Ву, Чэнь-Сюй (2006). "Facilitated Diffusion of DNA-Binding Proteins". Physical Review Letters . 96 (1): 018104. arXiv : physics/0507056 . Bibcode :2006PhRvL..96a8104K. doi :10.1103/PhysRevLett.96.018104. ISSN  0031-9007. PMID  16486524. S2CID  8937433.
  4. ^ ab Bauer M, Metzler R (2013). "Модель облегченной диффузии in vivo". PLOS ONE . ​​8 (1): e53956. arXiv : 1301.5502 . Bibcode :2013PLoSO...853956B. doi : 10.1371/journal.pone.0053956 . PMC 3548819 . PMID  23349772. 
  5. ^ ab Hammar, P.; Leroy, P.; Mahmutovic, A.; Marklund, EG; Berg, OG; Elf, J. (2012). «The lac Repressor Displays Facilitated Diffusion in Living Cells». Science . 336 (6088): 1595–1598. Bibcode :2012Sci...336.1595H. doi :10.1126/science.1221648. ISSN  0036-8075. PMID  22723426. S2CID  21351861.
  6. ^ Brackley CA, Cates ME, Marenduzzo D (сентябрь 2013 г.). «Внутриклеточная облегченная диффузия: искатели, краудеры и блокаторы». Phys. Rev. Lett . 111 (10): 108101. arXiv : 1309.1010 . Bibcode : 2013PhRvL.111j8101B. doi : 10.1103/PhysRevLett.111.108101. PMID  25166711. S2CID  13220767.
  7. ^ ab Bénichou O, Chevalier C, Meyer B, Voituriez R (январь 2011 г.). "Облегченная диффузия белков на хроматине". Phys. Rev. Lett . 106 (3): 038102. arXiv : 1006.4758 . Bibcode :2011PhRvL.106c8102B. doi :10.1103/PhysRevLett.106.038102. PMID  21405302. S2CID  15977456.
  8. ^ Kreuzer, F. (1970). «Облегченная диффузия кислорода и ее возможное значение; обзор». Respiration Physiology . 9 (1): 1–30. doi :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: эффекты интерфейса и толщины» (PDF) . Respir Physiol . 15 (2): 166–81. doi :10.1016/0034-5687(72)90096-5. hdl : 2027.42/34087 . PMID  5042165.
  10. ^ Rubinow SI, Dembo M (апрель 1977). «Облегченная диффузия кислорода гемоглобином и миоглобином». Biophys. J . 18 (1): 29–42. Bibcode :1977BpJ....18...29R. doi :10.1016/S0006-3495(77)85594-X. PMC 1473276 . PMID  856316. 
  11. ^ Kreuzer F, Hoofd LJ (май 1972). «Факторы, влияющие на облегченную диффузию кислорода в присутствии гемоглобина и миоглобина». Respir Physiol . 15 (1): 104–24. doi :10.1016/0034-5687(72)90008-4. PMID  5079218.
  12. ^ ab Wittenberg JB (январь 1966). «Молекулярный механизм диффузии кислорода, облегчаемой гемоглобином». J. Biol. Chem . 241 (1): 104–14. doi : 10.1016/S0021-9258(18)96964-4 . PMID  5901041.
  13. ^ Murray JD, Wyman J (октябрь 1971 г.). «Облегченная диффузия. Случай оксида углерода». J. Biol. Chem . 246 (19): 5903–6. doi : 10.1016/S0021-9258(18)61811-3 . PMID  5116656.
  14. ^ Thorens B (1993). «Облегченные транспортеры глюкозы в эйтелиальных клетках». Annu. Rev. Physiol . 55 : 591–608. doi :10.1146/annurev.ph.55.030193.003111. PMID  8466187.
  15. ^ ab Carruthers, A. (1990). «Облегченная диффузия глюкозы». Physiological Reviews . 70 (4): 1135–1176. doi :10.1152/physrev.1990.70.4.1135. ISSN  0031-9333. PMID  2217557.

Внешние ссылки