Облегченное определение диффузии

Облегченный диффузия является формой облегченного транспорта, включающего пассивное движение молекул вдоль их градиент концентрации руководствуясь наличием другого молекула – обычно цельный мембранный белок, образующий пору или канал.

Способствующая диффузия напрямую не включает молекулы с высокой энергией, такие как аденозинтрифосфат (АТФ) или гуанозинтрифосфат (ГТФ), поскольку молекулы движутся вдоль градиента концентрации.

Факторы, влияющие на диффузию

Движущей силой диффузии жидкостей является просто вероятность броуновского движения. Все молекулы имеют некоторую степень беспорядочного, случайного движения, в значительной степени зависящего от температуры. С ростом температуры энергия этих молекул увеличивается.

Когда вещество сильно сконцентрировано в определенной области, молекулярное движение, особенно на периферии, приведет к постепенному распространению вещества. Когда все молекулы внутри области движутся случайным образом, некоторые из них должны двигаться наружу, в область, где их концентрация низкая. С другой стороны, менее вероятно, что случайное молекулярное движение приведет к направленному движению из области низкой концентрации, особенно в области высокой концентрации.

Например, когда кто-то входит в комнату с сильными духами, пахучие молекулы распространяются наружу от кожа или одежда. Люди в комнате воспринимают некоторые из этих случайно движущихся молекул, когда они запускают сенсорные рецепторы в носу. Когда в области есть высокая плотность душистых молекул, есть вероятность, что некоторые из них уйдут из-за врожденной кинетической энергии этих молекул. Однако вероятность того, что эти несколько случайных молекул будут перемещаться направленным образом назад к рукаву или манжете человека, носящего духи, относительно мала. Конечный результат – облако постепенно уменьшающейся концентрации от человека, носящего духи.

Как видно из примера, для диффузии молекулы необходим градиент концентрации. Если все в комнате носят одни и те же духи, эффект от появления нового человека в комнате будет минимальным. Кроме того, температура увеличивает скорость диффузии. Поэтому в жаркие дни духи быстро распространялись по комнате. Диффузия также зависит от размера самой молекулы и природы среды.

Однако это не зависит от концентрации какого-либо другого вещества в среде. В предыдущем примере, после бритья человека рядом с вами не будет влиять на скорость распространения духов по отношению к вам. Хотя это может быть неприятным опытом, независимая диффузия является важным свойством молекул, которое позволяет клеткам поглощать питательные вещества (диффундируя в одном направлении), и в то же время выводить продукты метаболизма (диффундирующие наружу в противоположном направлении).

Облегченная диффузия через мембраны

Диффузия повсеместно распространена в биосфере. Это видно в движении воздуха и воды, и является необходимой силой, управляющей глобальными погодными условиями. В живых системах присутствие мембран на основе липидов создает компартменты, которые позволяют селективно концентрировать водорастворимые вещества. Например, митохондриальные мембраны могут создавать 2 отдельные области в пределах органеллы – внутренняя матрица и межмембранное пространство. Каждый из этих подразделов имеет определенный состав и функции, отличные от смежных пространств. Создание порядка таким образом является одним из признаков почти каждой единицы живого мира – от органелл внутри клетка на весь орган системы и организмы.

Однако это автоматически означает, что ионы, небольшие молекулы, белки и другие растворенные вещества имеют раз��ичные концентрации в липидных бислоях. Кроме того, полярный, заряженный или гидрофильный молекулы не могут пересекать биологические мембраны. Хотя это полезно для поддержания целостности каждого отсека, в равной степени необходимо, чтобы молекулы перемещались через мембраны вдоль градиента концентрации, когда это необходимо.

Диффузия газов

Прекрасным примером этого является движение кислорода и углекислого газа в активно дышащих тканях и клетках. Эти клетки нуждаются в поступлении кислорода и глюкозы, в то время как углекислый газ необходимо удалять и выводить из организма. Поскольку каждая из этих молекул движется из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией, прямого взаимодействия АТФ или других молекул энергетической валюты не происходит. Однако им необходимо пересечь несколько липидных бислоев – от митохондриальных мембран до плазматическая мембрана клетки, а затем липидный бислой эндотелиальных клеток кровь капилляры, плазматические мембраны эритроцитов и, наконец, мембраны клеток, образующие альвеолярные мешочки в легких.

Необходимость облегченной диффузии

Клеточные мембраны свободно проницаемы только для очень ограниченного класса молекул. Они должны быть небольшими по размеру и неполярными. Хотя это позволяет молекулам, таким как вода, кислород и углекислый газ, диффундировать через мембраны, это исключает практически каждый биополимер, большинство питательных веществ и многие важные маленькие молекулы.

Например, глюкоза является относительно большой молекулой, которая не может диффундировать непосредственно через липидный бислой, Точно так же важные ионы, такие как ионы натрия, калия или кальция, заряжаются и, следовательно, отталкиваются липофильным ядром клеточных мембран. Аминокислоты и нуклеиновые кислоты являются полярными, часто заряженными и слишком большими для использования простая диффузия входить и выходить из клеток. Иногда даже объемное движение воды через мембраны не может происходить быстро через липидный бислой.

В этих ситуациях облегчается диффузия через встроенные мембранные белки. Эти трансмембранные белки обычно бывают двух типов: те, которые действуют как носители, и те, которые образуют каналы через мембрану.

Носители и каналы

Изучение интегральных мембранных белков всегда сложно, так как они сделаны из длинных гидрофобный тянется с вкраплениями гидрофильных областей. Кристаллизация этих белков для понимания их структуры сопряжена с трудностями. Однако многие из этих белков были охарактеризованы с помощью оригинальных методов, и у нас есть некоторое представление об их активности.

Белки-носители, участвующие в облегченной диффузии, часто имеют две конформации. Связывание молекулы на одной стороне мембраны вызывает изменение трехмерной структуры белка, что позволяет проходить молекуле на другую сторону.

С другой стороны, белки, образующие каналы, имеют мельчайшие поры, которые избирательно пропускают определенные молекулы. Существует ряд механизмов, которые определяют соответствие между молекулой и белками ее канала – от размера до заряда и способности взаимодействовать с боковыми аминокислотными цепями, выстилающими поры. Некоторые канальные белки могут демонстрировать тысячекратное предпочтение одной молекулы по сравнению с другими биохимически подобными веществами.

Примеры облегченной диффузии

Ряд важных молекул подвергается облегченной диффузии для перемещения между клетками и субклеточными органеллами.

Транспортер глюкозы

Когда пища переваривается, концентрация глюкозы внутри тонкая кишка, Это транспортируется через мембраны клеток пищеварительный тракт по направлению к эндотелиальным клеткам, выстилающим кровеносные капилляры. После этого глюкоза транспортируется по всему организму сердечно-сосудистая система, Когда кровь течет через ткани, которые нуждаются в энергии, глюкоза снова проходит через мембраны эндотелиальных клеток и попадает в клетки с низкой концентрацией глюкозы. Иногда, когда уровень сахара в крови падает, движение может происходить в обратном направлении – из тканей организма в кровообращение. Например, печеночные клетки могут генерировать глюкозу даже из неуглеводных источников для поддержания базальной концентрации сахара в крови и предотвращения гипогликемии.

Транспортер глюкозы, который облегчает это движение, является белком-носителем, который имеет две основные конформационные структуры. Хотя точная трехмерная структура не известна, связывание глюкозы, вероятно, вызывает конформационные изменения, которые делают сайт связывания лицом к внутренней части клетки. Когда глюкоза высвобождается в клетку, транспортер возвращается к своей первоначальной конформации.

Ионные Каналы

Ионные каналы были широко изучены в возбуждающих клетках, таких как нейроны и мускул волокна, так как движение ионов через мембрану является неотъемлемой частью их функции. Эти канальные белки образуют поры на липидном бислое, которые могут находиться в открытой или закрытой конформации, в зависимости от электрического потенциала клетки и связывания лигандов. В этом смысле эти белки называются «закрытыми» каналами.

Наличие ионных насосов в большинстве ячеек гарантирует, что ионный состав внеклеточной жидкости отличается от цитозоль, Потенциал покоя любой клетки стимулируется этим процессом с избытком ионов натрия во внеклеточной области и избытком ионов калия внутри клетки. Генерируемый таким образом электрический и концентрационный градиент используется для распространения потенциалов действия вдоль нейронов и сократительной способности мышечных клеток.

Когда происходит небольшое изменение напряжения ячейки, ионные каналы натрия открываются и позволяют быстрое проникновение ионов натрия в ячейку. Это, в свою очередь, вызывает открытие каналов ионов калия, позволяя этим ионам двигаться наружу, демонстрируя, что диффузия одного вещества может происходить независимо от другого. Через несколько миллисекунд область в клеточная мембрана могут претерпевать большие изменения напряжения – от -75 мВ до +30 мВ.

Связывание нейротрансмиттеров, таких как ацетилхолин, с рецепторами мышечных клеток меняет проницаемость лиганд ионные каналы. Трансмембранный канал состоит из множества субъединиц, расположенных в виде замкнутого цилиндра. Связывание лиганда (ацетилхолина) изменяет конформацию гидрофобных боковых цепей, которые блокируют центральный проход. Это приводит к быстрому притоку ионов натрия в мышечная клетка, Изменение электрического потенциала клетки также приводит к открытию каналов ионов кальция, которые затем приводят к сокращению мышечного волокна.

аквапоринов

Как и другие трансмембранные белки, аквапорины не были полностью охарактеризованы. Однако известно, что существует множество таких каналов для быстрого прохождения молекул воды почти в каждой клетке. Эти высоко консервативные белки присутствуют в бактерии, растения, грибы и животные. Мутации в белках, образующих аквапорины, могут привести к таким заболеваниям, как несахарный диабет.

  • Броуновское движение – случайные колебания скорости частиц в жидкой среде, обычно возникающие в результате межмолекулярных столкновений.
  • гипогликемия – Состояние, характеризующееся низким уровнем глюкозы в крови.
  • Интегральный мембранный белок – Белки, которые являются структурно и функционально неотъемлемой частью биологической мембраны. Может пересекать всю ширину мембраны или прикрепляться через небольшую линкерную область.
  • Частичное давление – Гипотетическая мера концентрации одного газа в смеси газов.

викторина

1. Какое из этих утверждений об облегченной диффузии молекул верно?A. Непосредственно не включает АТФB. Необходимо присутствие другой молекулыC. Необходим для диффузии полярных молекул через мембрануD. Все вышеперечисленное

Ответ на вопрос № 1

D верно. Поскольку диффузия происходит вдоль градиента концентрации, прямой ввод энергии не требуется. Когда через мембрану необходимо транспортировать полярные, заряженные или крупные молекулы, необходим другой мембранный белок, носитель или канал.

2. Какой из этих факторов влияет на скорость диффузии?A. температураB. Вязкость средыC. Размер частицD. Все вышеперечисленное

Ответ на вопрос № 2

D верно. Температура увеличивает кинетическую энергию молекул и, следовательно, увеличивает скорость диффузии. Диффузия замедляется в вязких средах, поскольку молекулы среды сопротивляются движению частиц. Более крупные молекулы, как правило, медленнее диффундируют, чем более мелкие.

3. Какое из этих утверждений не соответствует действительности?A. Глюкоза подвергается облегченной диффузии через трансмембранный каналB. Вода может перемещаться по мембране даже при отсутствии аквапориновC. Транспортер ионов калия имеет в тысячи раз большее сродство к ионам калия по сравнению с ионами натрияD. Все вышеперечисленное

Ответ на вопрос № 3

верно. Глюкоза транспортируется через трансмембранный белок-носитель. Вода как небольшая незаряженная молекула может диффундировать через мембраны даже в отсутствие аквапоринов. Калиевый ионный канал действительно обладает замечательной чувствительностью к молекуле носителя, вероятно, опосредованной плотностью заряда.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *