Облегченная диффузия в биологических мембранах

Введение

Биологический процесс

Облегченная диффузия (также известная как облегченный транспорт или пассивный опосредованный транспорт) — это процесс спонтанного пассивного транспорта (в отличие от активного транспорта) молекул или ионов через биологическую мембрану посредством специфических трансмембранных интегральных белков. Будучи пассивным, облегченный транспорт не требует непосредственного расхода химической энергии от гидролиза АТФ на самом этапе транспорта; скорее, молекулы и ионы движутся по градиенту концентрации в соответствии с принципами диффузии. Облегченная диффузия отличается от простой диффузии несколькими аспектами:

Транспорт основан на молекулярном связывании между переносимым веществом и встроенным в мембрану каналом или белком-носителем. Скорость облегченной диффузии насыщается относительно разности концентраций между двумя фазами; в отличие от свободной диффузии, которая линейно зависит от разности концентраций. Температурная зависимость облегченного транспорта существенно отличается из-за наличия активированного события связывания, по сравнению со свободной диффузией, где зависимость от температуры незначительна. 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 форме трансмембранных каналов. Эти каналы регулируемые, то есть они открываются и закрываются, тем самым регулируя поток ионов или небольших полярных молекул через мембраны, иногда против осмотического градиента. Более крупные молекулы транспортируются трансмембранными белками-носителями, такими как пермеазы, которые изменяют свою конформацию при переносе молекул (например, глюкозы или аминокислот). Неполярные молекулы, такие как ретинол или липиды, плохо растворимы в воде. Они транспортируются через водные компартменты клеток или через внеклеточное пространство водорастворимыми носителями (например, белком, связывающим ретинол). Метаболиты не изменяются, поскольку для облегченной диффузии не требуется энергии. Только пермеаза изменяет свою форму для транспортировки метаболитов. Форма транспорта через клеточную мембрану, при которой метаболит модифицируется, называется групповой транслокацией. Глюкоза, ионы натрия и ионы хлора — лишь несколько примеров молекул и ионов, которые должны эффективно пересекать плазматическую мембрану, но к которым липидный бислой мембраны практически непроницаем. Поэтому их транспорт должен быть "облегчен" белками, которые пронизывают мембрану и обеспечивают альтернативный путь или механизм обхода. Примеры белков, опосредующих этот процесс, включают транспортеры глюкозы, белки транспорта органических катионов, транспортер мочевины, транспортер монокарбоксилата 8 и транспортер монокарбоксилата 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.

Модель облегченной диффузии in vivo

Многие физические и биохимические процессы регулируются диффузией. Облегченная диффузия является одной из форм диффузии и играет важную роль в нескольких метаболических процессах. Облегченная диффузия – основной механизм связывания факторов транскрипции (ФТ) с целевыми участками на молекуле ДНК. Модель in vitro, широко известный метод изучения облегченной диффузии, происходящей вне живой клетки, объясняет трехмерную диффузию в цитозоле и одномерную диффузию вдоль контура ДНК. После проведения обширных исследований процессов, происходящих вне клетки, этот механизм был общепризнан, однако возникла необходимость подтвердить его возможность реализации in vivo, то есть внутри живых клеток. Bauer & Metzler (2013) В клетках пробактерий, таких как E. coli, облегченная диффузия необходима для поиска и связывания регуляторными белками целевых участков на парах оснований ДНК. Этот процесс включает два основных этапа: белок связывается с неспецифическим участком ДНК, а затем диффундирует вдоль цепи ДНК до обнаружения целевого участка, что называется скольжением. Кроме того, учитывая фрагментированность молекулы хроматина, необходимо учитывать ее фрактальные свойства. После расчета времени поиска целевого белка, чередующегося между трехмерной и одномерной фазами диффузии на фрактальной структуре хроматина, было установлено, что облегченная диффузия у эукариот ускоряет поиск и минимизирует время поиска за счет повышения аффинности белка к ДНК. В системе облегченной диффузии кислорода существует тесная взаимосвязь между лигандом – кислородом – и носителем – гемоглобином или миоглобином. Этот механизм облегченной диффузии кислорода гемоглобином или миоглобином был открыт и изучен Виттенбергом и Шоландером. Они провели эксперименты для определения стационарного состояния диффузии кислорода при различных давлениях. Диффузия кислорода происходит в однородной среде, где давление кислорода можно относительно контролировать. Для осуществления диффузии кислорода необходимо поддерживать высокое парциальное давление (насыщение) на одной стороне мембраны и низкое парциальное давление (снижение) на другой, то есть одна сторона мембраны должна иметь более высокую концентрацию. Во время облегченной диффузии гемоглобин увеличивает скорость обычной диффузии кислорода, а облегченная диффузия происходит при случайном смещении молекулы оксигемоглобина.

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.

Для окиси углерода

Ускоренная диффузия монооксида углерода аналогична диффузии кислорода. Монооксид углерода также соединяется с гемоглобином и миоглобином.

Для глюкозы

Поскольку глюкоза — крупная молекула, её диффузия через мембрану затруднена. Поэтому она диффундирует через мембраны посредством облегченной диффузии, по градиенту концентрации. Белок-переносчик на мембране связывается с глюкозой и изменяет свою форму, облегчая её транспорт. Скорость поступления глюкозы в клетку может быть высокой или низкой, в зависимости от количества мембранных белков-переносчиков. Транспортировка глюкозы против градиента концентрации осуществляется зависимым симпортером глюкозы, который создает движущую силу для других молекул глюкозы в клетке. Облегченная диффузия способствует высвобождению накопленной глюкозы во внеклеточное пространство, прилегающее к кровяному капилляру.