La difusión facilitada (también conocida como transporte facilitado o transporte mediado pasivo ) es el proceso de transporte pasivo espontáneo (en oposición al transporte activo ) de moléculas o iones a través de una membrana biológica a través de proteínas integrales transmembrana específicas . [1] Al ser pasivo, el transporte facilitado no requiere directamente energía química de la hidrólisis de ATP en el paso de transporte en sí; por el contrario, las moléculas y los iones descienden por su gradiente de concentración, lo que refleja su naturaleza difusa.
La difusión facilitada se diferencia de la difusión simple en varios aspectos.
- el transporte se basa en la unión molecular entre la carga y el canal integrado en la membrana o la proteína transportadora.
- la velocidad de difusión facilitada es saturable con respecto a la diferencia de concentración entre las dos fases; a diferencia de la difusión libre que es lineal en la diferencia de concentración.
- La dependencia de la temperatura del transporte facilitado es sustancialmente diferente debido a la presencia de un evento de unión activado, en comparación con la difusión libre donde la dependencia de la temperatura es leve. [2]
Las moléculas polares y los iones grandes disueltos en agua no pueden difundirse libremente a través de la membrana plasmática debido a la naturaleza hidrófoba de las colas de ácidos grasos de los fosfolípidos que forman la bicapa lipídica . Solo las moléculas pequeñas, no polares, como el oxígeno y el dióxido de carbono , pueden difundirse fácilmente a través de la membrana. Por tanto, las proteínas transportan pequeñas moléculas polares en forma de canales transmembrana. Estos canales están cerrados, lo que significa que se abren y cierran y, por lo tanto, desregulan el flujo de iones o pequeñas moléculas polares a través de las membranas , a veces contra el gradiente osmótico. Las moléculas más grandes son transportadas por proteínas transportadoras transmembrana, como las permeasas , que cambian su conformación a medida que se transportan las moléculas (por ejemplo, glucosa o aminoácidos ). Las moléculas no polares, como el retinol o los lípidos , son poco solubles en agua. Se transportan a través de compartimentos acuosos de las células oa través del espacio extracelular mediante vehículos solubles en agua (por ejemplo, proteína de unión al retinol ). Los metabolitos no se alteran porque no se requiere energía para facilitar la difusión. Solo la permeasa cambia de forma para transportar metabolitos. La forma de transporte a través de una membrana celular en la que se modifica un metabolito se denomina transporte de translocación de grupo .
Los iones de glucosa, sodio e iones de cloruro son solo algunos ejemplos de moléculas e iones que deben atravesar eficazmente la membrana plasmática pero a los que la bicapa lipídica de la membrana es prácticamente impermeable. Por lo tanto, su transporte debe ser "facilitado" por proteínas que atraviesan la membrana y proporcionan una ruta alternativa o mecanismo de derivación. Algunos ejemplos de proteínas que median este proceso son los transportadores de glucosa , proteínas de transporte de cationes orgánicos , transportador de urea , monocarboxilato transportadoras 8 y del transportador de monocarboxilato 10 .
Los ingenieros han realizado varios intentos para imitar el proceso de transporte facilitado en membranas sintéticas (es decir, no biológicas) para su uso en separaciones de gases y líquidos a escala industrial, pero estos han tenido un éxito limitado hasta la fecha, la mayoría de las veces por razones relacionadas a una mala estabilidad del portador y / o disociación del portador del transporte pasivo.
Modelo in vivo de difusión facilitada
En los organismos vivos, los principales procesos físicos y bioquímicos necesarios para la supervivencia están regulados por difusión . [3] La difusión facilitada es una forma de difusión y es importante en varios procesos metabólicos de las células vivas. Una función vital de la difusión facilitada es que es el mecanismo principal detrás de la unión de los factores de transcripción (TF) a los sitios objetivo designados en la molécula de ADN . El modelo in vitro, que es un método muy conocido de difusión facilitada, que tiene lugar fuera de una célula viva , explica el patrón de difusión tridimensional en el citosol y la difusión unidimensional a lo largo del contorno del ADN. [4] Después de llevar a cabo una extensa investigación sobre los procesos que ocurren fuera de la célula, este mecanismo fue aceptado en general, pero existía la necesidad de verificar que este mecanismo pudiera tener lugar in vivo o dentro de las células vivas. Por tanto, Bauer y Metzler (2013) [4] llevaron a cabo un experimento utilizando un genoma bacteriano en el que investigaron el tiempo medio para que se produjera la unión de TF - ADN. Después de analizar el proceso por el tiempo que tardan los TF en difundirse a través del contorno y el citoplasma del ADN de la bacteria, se concluyó que in vitro e in vivo son similares en que las tasas de asociación y disociación de los TF hacia y desde el ADN son similares. en ambos. Además, en el contorno del ADN, el movimiento es más lento y los sitios objetivo son fáciles de localizar, mientras que en el citoplasma , el movimiento es más rápido pero los TF no son sensibles a sus objetivos y, por lo tanto, la unión está restringida.
Difusión facilitada intracelular
La formación de imágenes de una sola molécula es una técnica de formación de imágenes que proporciona una resolución ideal necesaria para el estudio del mecanismo de unión del factor de transcripción en células vivas. [5] En células de bacterias procariotas como E. coli , se requiere una difusión facilitada para que las proteínas reguladoras se ubiquen y se unan a los sitios diana en los pares de bases del ADN. [3] [5] [6] Hay 2 pasos principales involucrados: la proteína se une a un sitio no específico en el ADN y luego se difunde a lo largo de la cadena de ADN hasta que localiza un sitio objetivo, un proceso conocido como deslizamiento. [3] Según Brackley et al. (2013), durante el proceso de deslizamiento de proteínas, la proteína busca en toda la longitud de la cadena de ADN utilizando patrones de difusión 3-D y 1-D. Durante la difusión 3-D, la alta incidencia de proteínas de Crowder crea una presión osmótica que acerca las proteínas de búsqueda (por ejemplo, Lac Repressor) al ADN para aumentar su atracción y permitirles unirse, así como un efecto estérico que excluye a las proteínas de Crowder de esta región (región del operador Lac). Las proteínas bloqueadoras participan únicamente en la difusión 1-D, es decir, se unen y se difunden a lo largo del contorno del ADN y no en el citosol.
Difusión facilitada de proteínas en cromatina
El modelo in vivo mencionado anteriormente explica claramente la difusión 3-D y 1-D a lo largo de la cadena de ADN y la unión de proteínas a los sitios diana en la cadena. Al igual que las células procariotas, en los eucariotas , la difusión facilitada se produce en el nucleoplasma de los filamentos de cromatina , lo que se explica por la dinámica de cambio de una proteína cuando está unida a un hilo de cromatina o cuando se difunde libremente en el nucleoplasma. [7] Además, dado que la molécula de cromatina está fragmentada, se deben considerar sus propiedades fractales. Después de calcular el tiempo de búsqueda de una proteína diana, alternando entre las fases de difusión 3-D y 1-D en la estructura fractal de la cromatina, se dedujo que la difusión facilitada en eucariotas precipita el proceso de búsqueda y minimiza el tiempo de búsqueda al aumentar el ADN. afinidad proteica. [7]
Para oxigeno
El oxígeno se une a los glóbulos rojos en el torrente sanguíneo. La afinidad del oxígeno con la hemoglobina en las superficies de los glóbulos rojos mejora esta capacidad de unión. [8] En un sistema de difusión facilitada de oxígeno, existe una estrecha relación entre el ligando que es oxígeno y el portador que es hemoglobina o mioglobina . [9] Este mecanismo de difusión facilitada de oxígeno por la hemoglobina o mioglobina fue descubierto e iniciado por Wittenberg y Scholander. [10] Llevaron a cabo experimentos para probar el estado estable de difusión de oxígeno a diversas presiones. La difusión facilitada por oxígeno se produce en un entorno homogéneo donde la presión del oxígeno puede controlarse relativamente. [11] [12] Para que se produzca la difusión de oxígeno, debe haber una presión de saturación total (más) en un lado de la membrana y una presión reducida total (menos) en el otro lado de la membrana, es decir, un lado de la membrana debe estar de mayor concentración. Durante la difusión facilitada, la hemoglobina aumenta la velocidad de difusión constante de oxígeno y la difusión facilitada se produce cuando la molécula de oxihemoglobina se desplaza aleatoriamente.
Para monóxido de carbono
El monóxido de carbono tiene un proceso de difusión facilitado similar al del oxígeno. Ambos hacen uso de la alta afinidad de la hemoglobina y la mioglobina por el gas. El monóxido de carbono también se combina con la hemoglobina y la mioglobina con la ayuda de la difusión facilitada tal como ocurre con el oxígeno [12], pero la velocidad a la que reaccionan difiere entre sí. El monóxido de carbono tiene una velocidad de disociación 100 veces menor que la del oxígeno; su afinidad por la mioglobina es 40 veces mayor y 250 veces mayor por la hemoglobina, en comparación con el oxígeno. [13]
Para glucosa
La glucosa es un azúcar de seis carbonos que proporciona la energía que necesitan las células. Dado que la glucosa es una molécula grande, es difícil transportarla a través de la membrana mediante una simple difusión. [14] Por lo tanto, se difunde a través de las membranas a través de la difusión facilitada, en el gradiente de concentración . La proteína transportadora en la membrana se une a la glucosa y altera su forma de tal manera que se puede transportar fácilmente de un lado de la membrana al otro. [15] El movimiento de la glucosa hacia la célula puede ser rápido o lento dependiendo de la cantidad de proteína que atraviesa la membrana. Es transportado contra el gradiente de concentración por un simportador de glucosa dependiente que proporciona una fuerza impulsora a otras moléculas de glucosa en las células. La difusión facilitada ayuda a liberar la glucosa acumulada en el espacio extracelular adyacente al capilar sanguíneo . [15]
Ver también
- Canales transmembrana
Referencias
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enlaces externos
- Difusión facilitada: descripción y animación
- Difusión facilitada: definición y complemento