Жасуша мембранасы арқылы жеңілдетілген таралу

Кіріспе

Биологиялық процесс

Жеңілдікпен таралу (сонымен қатар жеңілдікпен тасымалдау немесе пассивті медиацияланған тасымалдау деп те аталады) – молекулалардың немесе иондардың биологиялық мембрана арқылы белгілі бір трансмембраналық интегралдық ақуыздар арқылы спонтанды пассивті тасымалдану процесі (активті тасымалдаудан өзгеше). Пассивті болғандықтан, жеңілдікпен таралу тасымалдау кезеңінде АТФ гидролизінен тікелей химиялық энергияны қажет етпейді; керісінше, молекулалар мен иондар диффузия принциптеріне сәйкес концентрация градиенті бойынша қозғалады. Жеңілдікпен таралу қарапайым диффузиядан бірнеше жағынан ерекшеленеді:

Тасымалдау жүк пен мембранаға енген арна немесе тасымалдаушы ақуыз арасындағы молекулалық байланысқа негізделген. Жеңілдікпен таралу жылдамдығы екі фаза арасындағы концентрация айырмашылығына қатысты қанықтырылады; бұл концентрация айырмашылығына сызықтық болатын еркін диффузиядан өзгеше. Жеңілдікпен таралудың температураға тәуелділігі белсендірілген байланыс оқиғасының болуына байланысты, еркін диффузиямен салыстырғанда айқын өзгеше, себебі еркін диффузияда температураға тәуелділік шамалы. Суда еріген полярлы молекулалар мен ірі иондар липидтік екі қабатты құрайтын фосфолипидтердің май қышқылдарының гидрофобтық табиғатына байланысты плазмалық мембрана арқылы еркін таралмайды. Тек кішкентай, поляр емес молекулалар, мысалы, оттегі мен көмірқышқыл газы ғана мембрана арқылы оңай тарай алады. Сондықтан кішкентай полярлы молекулалар ақуыздар арқылы трансмембраналық арналар түрінде тасымалданады. Бұл арналар реттелмелі, яғни ашылып, жабылып, мембрана арқылы иондардың немесе кішкентай полярлы молекулалардың ағынын реттейді, кейде осмостық градиентке қарсы. Үлкен молекулалар пермеазалар сияқты трансмембраналық тасымалдаушы ақуыздармен тасымалданады, олар молекулалар тасымалданатын кезде конформациясын өзгертеді (мысалы, глюкоза немесе аминқышқылы). Ретинол немесе липидтер сияқты поляр емес молекулалар суда нашар ериді. Олар жасушаның сулы бөлімдері арқылы немесе жасушадан тыс кеңістік арқылы суға ерігіш тасымалдаушылар (мысалы, ретинол байланыстыратын ақуыз) арқылы тасымалданады. Метаболиттер өзгермейді, себебі жеңілдікпен таралу үшін энергия қажет емес. Тек пермеаза метаболиттерді тасымалдау үшін пішінін өзгертеді. Метаболиттің жасушалық мембрана арқылы өзгеріске ұшырауы топтық транслокациялық тасымалдау деп аталады. Глюкоза, натрий иондары және хлорид иондары – плазмалық мембрана арқылы тиімді өтуі керек, бірақ мембрананың липидтік екі қабатына іс жүзінде өткізбейтін молекулалар мен иондардың бірнеше мысалы. Сондықтан олардың тасымалы мембрананы аралап өтетін және баламалы жол немесе айналма механизмді қамтамасыз ететін ақуыздармен "жеңілдіріледі". Бұл процесті қамтамасыз ететін ақуыздардың мысалдары – глюкоза тасымалдаушылар, органикалық катион тасымалдаушы ақуыздар, мочевина тасымалдаушы, монокарбоксилат тасымалдаушы 8 және монокарбоксилат тасымалдаушы 10.

The transport relies on molecular binding between the cargo and the membrane embedded channel or carrier protein. The rate of facilitated diffusion is saturable with respect to the concentration difference between the two phases; unlike free diffusion which is linear in the concentration difference. The temperature dependence of facilitated transport is substantially different due to the presence of an activated binding event, as compared to free diffusion where the dependence on temperature is mild. Polar molecules and large ions dissolved in water cannot diffuse freely across the plasma membrane due to the hydrophobic nature of the fatty acid tails of the phospholipids that comprise the lipid bilayer. Only small, non polar molecules, such as oxygen and carbon dioxide, can diffuse easily across the membrane. Hence, small polar molecules are transported by proteins in the form of transmembrane channels. These channels are gated, meaning that they open and close, and thus deregulate the flow of ions or small polar molecules across membranes, sometimes against the osmotic gradient. Larger molecules are transported by transmembrane carrier proteins, such as permeases, that change their conformation as the molecules are carried across (e. g. glucose or amino acids). Non polar molecules, such as retinol or lipids, are poorly soluble in water. They are transported through aqueous compartments of cells or through extracellular space by water soluble carriers (e. g. retinol binding protein). The metabolites are not altered because no energy is required for facilitated diffusion. Only permease changes its shape in order to transport metabolites. The form of transport through a cell membrane in which a metabolite is modified is called group translocation transportation. Glucose, sodium ions, and chloride ions are just a few examples of molecules and ions that must efficiently cross the plasma membrane but to which the lipid bilayer of the membrane is virtually impermeable. Their transport must therefore be "facilitated" by proteins that span the membrane and provide an alternative route or bypass mechanism. Some examples of proteins that mediate this process are glucose transporters, organic cation transport proteins, urea transporter, monocarboxylate transporter 8 and monocarboxylate transporter 10.

Жеңілдетілген диффузияның in vivo моделі

Көптеген физикалық және биохимиялық процестер диффузия арқылы реттеледі. Жеңілдетілген диффузия – диффузияның бір түрі және ол бірнеше метаболизмдік процестерде маңызды рөл атқарады. Жеңілдетілген диффузия – транскрипция факторларының (ТФ) ДНК молекуласындағы белгіленген нысаналық орындарға байланысуының негізгі механизмі. In vitro моделі, яғни тірі жасушадан тыс ортада жүзеге асырылатын, жеңілдетілген диффузияның жақсы белгілі әдісі, цитозолдағы диффузияның үш өлшемді және ДНК контуры бойынша бір өлшемді үлгісін түсіндіреді. Жасушадан тыс процестер бойынша кең ауқымды зерттеулер жүргізілгеннен кейін бұл механизм қабылданды, бірақ оның in vivo, яғни тірі жасушалардың ішінде де жүзеге асуын растау қажеттігі туды. Bauer & Metzler (2013) Прокариотты бактерия жасушаларында, мысалы, E. coli, реттеуші ақуыздардың ДНК негіздерінің жұптарындағы нысаналық орындарды табуы және байланысуы үшін жеңілдетілген диффузия қажет. Бұл процесте екі негізгі қадам бар: ақуыз ДНК-ның белгілі бір орынына байланысады, содан кейін нысаналық орынға жеткенше ДНК тізбегі бойымен қозғалады, бұл процесс «сығу» деп аталады. Сонымен қатар, хроматин молекуласы фрагменттелгенін ескере отырып, оның фракталдық қасиеттерін де қарастыру қажет. Хроматин фрактал құрылымындағы үш өлшемді және бір өлшемді диффузия фазаларын кезектестіре отырып, нысаналық ақуызды іздеу уақытын есептегеннен кейін, эукариоттарда жеңілдетілген диффузия іздеу процесін үдететіні және ДНК-ақуыз байланысын күшейту арқылы іздеу уақытын қысқартатыны қорытындыланды. Оттектің жеңілдетілген диффузия жүйесінде, лиганд ретіндегі оттек пен тасымалдаушы ретіндегі гемоглобин немесе миоглобин арасында тығыз байланыс бар. Гемоглобин немесе миоглобин арқылы оттектің жеңілдетілген диффузия механизмін Виттенберг және Шоландер ашқан және зерттеген. Олар әртүрлі қысымдағы оттектің тұрақты диффузиясын тексеру үшін тәжірибелер жүргізді. Оттекпен жеңілдетілген диффузия салыстырмалы түрде бақыланатын қысымдағы біртекті ортада жүзеге асады. Оттектің диффузиясы үшін мембрананың бір жағында толық қанығу қысымы (жоғарырақ) және екінші жағында толық азайту қысымы (төменірек) болуы керек, яғни мембрананың бір жағында концентрация жоғары болуы тиіс. Жеңілдетілген диффузия кезінде гемоглобин оттектің тұрақты диффузиясының жылдамдығын арттырады және оксигемоглобин молекуласының кездейсоқ орын ауыстыруы кезінде жеңілдетілген диффузия пайда болады.

Many physical and biochemical processes are regulated by diffusion. Facilitated diffusion is one form of diffusion and it is important in several metabolic processes. Facilitated diffusion is the main mechanism behind the binding of Transcription Factors (TFs) to designated target sites on the DNA molecule. The in vitro model, which is a very well known method of facilitated diffusion, that takes place outside of a living cell, explains the 3 dimensional pattern of diffusion in the cytosol and the 1 dimensional diffusion along the DNA contour. After carrying out extensive research on processes occurring out of the cell, this mechanism was generally accepted but there was a need to verify that this mechanism could take place in vivo or inside of living cells. Bauer & Metzler (2013) In prokaryotic bacteria cells such as E. coli, facilitated diffusion is required in order for regulatory proteins to locate and bind to target sites on DNA base pairs. There are 2 main steps involved: the protein binds to a non specific site on the DNA and then it diffuses along the DNA chain until it locates a target site, a process referred to as sliding. In addition, given that the chromatin molecule is fragmented, its fractal properties need to be considered. After calculating the search time for a target protein, alternating between the 3 D and 1 D diffusion phases on the chromatin fractal structure, it was deduced that facilitated diffusion in eukaryotes precipitates the searching process and minimizes the searching time by increasing the DNA protein affinity. In a system of facilitated diffusion of oxygen, there is a tight relationship between the ligand which is oxygen and the carrier which is either hemoglobin or myoglobin. This mechanism of facilitated diffusion of oxygen by hemoglobin or myoglobin was discovered and initiated by Wittenberg and Scholander. They carried out experiments to test for the steady state of diffusion of oxygen at various pressures. Oxygen facilitated diffusion occurs in a homogeneous environment where oxygen pressure can be relatively controlled. For oxygen diffusion to occur, there must be a full saturation pressure (more) on one side of the membrane and full reduced pressure (less) on the other side of the membrane i. e. one side of the membrane must be of higher concentration. During facilitated diffusion, hemoglobin increases the rate of constant diffusion of oxygen and facilitated diffusion occurs when oxyhemoglobin molecule is randomly displaced.

Көміртек тотығы үшін

Көміртек оксидінің жеңілдетілген диффузиясы оттегінікіне ұқсас. Көміртек оксиді гемоглобинмен және миоглобинмен де байланысады.

Глюкоза үшін

Глюкоза үлкен молекула болғандықтан, оның мембрана арқылы таралуы қиын. Сондықтан, ол мембраналар арқылы жеңілдетілген таралу арқылы, концентрация градиенті бойынша тарайды. Мембранадағы тасымалдаушы ақуыз глюкозаға байланысып, оның пішінін өзгертеді, осылайша оны оңай тасымалдауға мүмкіндік береді. Глюкозаның жасушаға өту жылдамдығы мембрана арқылы өтетін ақуыздың санына байланысты тез немесе баяу болуы мүмкін. Ол тәуелді глюкоза симпортері арқылы концентрация градиентіне қарсы тасымалданады, бұл жасушадағы басқа глюкоза молекулаларына күш түсіреді. Жеңілдетілген таралу жинақталған глюкозаның қан капиллярына жақын жатқан жасушадан тыс кеңістікке шығуына көмектеседі.