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 через специфические трансмембранные интегральные белки . [1] Будучи пассивным, облегченный транспорт не требует напрямую химической энергии от гидролиза АТФ на самом этапе транспорта; скорее, молекулы и ионы движутся вниз по градиенту концентрации, что отражает его диффузионную природу.
Облегченная диффузия отличается от простой диффузии по нескольким признакам:
Полярные молекулы и крупные ионы, растворенные в воде, не могут свободно диффундировать через плазматическую мембрану из-за гидрофобной природы жирнокислотных хвостов фосфолипидов , составляющих липидный бислой . Только небольшие неполярные молекулы, такие как кислород и углекислый газ , могут легко диффундировать через мембрану. Следовательно, небольшие полярные молекулы транспортируются белками в виде трансмембранных каналов. Эти каналы являются закрытыми, то есть они открываются и закрываются, тем самым нарушая регуляцию потока ионов или небольших полярных молекул через мембраны , иногда против осмотического градиента. Более крупные молекулы транспортируются трансмембранными белками-переносчиками, такими как пермеазы , которые меняют свою конформацию при переносе молекул (например, глюкоза или аминокислоты ). Неполярные молекулы, такие как ретинол или липиды , плохо растворимы в воде. Они транспортируются через водные отсеки клеток или через внеклеточное пространство с помощью водорастворимых переносчиков (например, ретинол-связывающего белка ). Метаболиты не изменяются, поскольку для облегченной диффузии не требуется энергии. Только пермеаза меняет свою форму для транспортировки метаболитов. Форма транспорта через клеточную мембрану, при которой метаболит модифицируется, называется групповым транслокационным транспортом.
Глюкоза, ионы натрия и ионы хлорида — это лишь несколько примеров молекул и ионов, которые должны эффективно пересекать плазматическую мембрану, но для которых липидный бислой мембраны практически непроницаем. Поэтому их транспорт должен «облегчаться» белками, которые охватывают мембрану и обеспечивают альтернативный путь или обходной механизм. Некоторыми примерами белков, которые опосредуют этот процесс, являются переносчики глюкозы , белки-переносчики органических катионов , переносчик мочевины , переносчик монокарбоксилатов 8 и переносчик монокарбоксилатов 10 .
Многие физические и биохимические процессы регулируются диффузией . [3] Облегченная диффузия является одной из форм диффузии и важна для некоторых метаболических процессов. Облегченная диффузия является основным механизмом связывания факторов транскрипции (ТФ) с указанными целевыми сайтами на молекуле ДНК . Модель in vitro, которая представляет собой хорошо известный метод облегченной диффузии, происходящий 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 возникла необходимость проверить, что этот механизм может иметь место in vivo или внутри живых клеток. Поэтому Bauer & Metzler (2013) [4] провели эксперимент с использованием бактериального генома, в котором они исследовали среднее время, в течение которого происходит связывание ТФ с ДНК. После анализа процесса времени, необходимого ТФ для диффузии по контуру и цитоплазме ДНК бактерий, был сделан вывод, что in vitro и in vivo схожи в том смысле, что скорости ассоциации и диссоциации ТФ в ДНК и из нее аналогичны. в обоих. Кроме того, по контуру ДНК движение медленнее и целевые сайты легко локализовать, тогда как в цитоплазме движение происходит быстрее, но ТФ не чувствительны к своим мишеням, и поэтому связывание ограничено.
Визуализация одиночных молекул — это метод визуализации, который обеспечивает идеальное разрешение, необходимое для изучения механизма связывания фактора транскрипции в живых клетках. [5] В клетках прокариотических бактерий , таких как E. coli , необходима облегченная диффузия, чтобы регуляторные белки могли локализовать и связываться с целевыми участками на парах оснований ДНК. [3] [5] [6] Здесь происходит два основных этапа: белок связывается с неспецифическим участком ДНК, а затем диффундирует по цепи ДНК, пока не найдет целевой участок. Этот процесс называется скольжением. [3] По данным Брэкли и др. (2013), в процессе скольжения белка белок ищет всю длину цепи ДНК, используя 3-D и 1-D модели диффузии. Во время трехмерной диффузии большое количество белков Краудера создает осмотическое давление, которое приближает белки-поисковики (например, Lac Repressor) к ДНК, увеличивая их притяжение и позволяя им связываться, а также стерический эффект , который исключает белки Краудера из этот регион (регион оператора Лак). Белки-блокаторы участвуют только в одномерной диффузии, т.е. связываются и диффундируют вдоль контура ДНК, а не в цитозоле.
Упомянутая выше модель in vivo ясно объясняет трехмерную и одномерную диффузию вдоль цепи ДНК и связывание белков с целевыми участками цепи. Как и в прокариотических клетках, у эукариот облегченная диффузия происходит в нуклеоплазме по нитям хроматина , что объясняется динамикой переключения белка, когда он либо связан с нитью хроматина, либо когда он свободно диффундирует в нуклеоплазме. [7] Кроме того, учитывая, что молекула хроматина фрагментирована, необходимо учитывать ее фрактальные свойства. После расчета времени поиска целевого белка, чередующегося между фазами 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 количества ДНК. сродство к белкам. [7]
Сродство кислорода с гемоглобином на поверхности эритроцитов усиливает эту связывающую способность. [8] В системе облегченной диффузии кислорода существует тесная связь между лигандом , которым является кислород, и носителем, 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 по проверке стационарной диффузии кислорода при различных давлениях. Диффузия, облегчаемая кислородом, происходит в однородной среде, где давление кислорода можно относительно контролировать. [11] [12] Для того, чтобы произошла диффузия 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, а облегченная диффузия происходит при случайном смещении молекулы оксигемоглобина .
Облегченная диффузия монооксида углерода аналогична диффузии кислорода. Угарный газ также соединяется с гемоглобином и миоглобином, [12] но у угарного газа 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 к кислороду. [13]
Поскольку глюкоза представляет собой крупную молекулу, ее диффузия через мембрану затруднена. [14] Следовательно, он диффундирует через мембраны путем облегченной диффузии по градиенту концентрации . Белок -носитель на мембране связывается с глюкозой и изменяет ее форму так, что ее можно легко транспортировать. [15] Движение глюкозы в клетку может быть быстрым или медленным в зависимости от количества трансмембранных белков. Он транспортируется против градиента концентрации с помощью зависимого симпортера глюкозы , который обеспечивает движущую силу для других молекул глюкозы в клетках. Облегченная диффузия способствует высвобождению накопленной глюкозы во внеклеточное пространство, прилегающее к кровеносному капилляру . [15]