Difusión facilitada
Proceso biológico
Difusión facilitada en la membrana celular, mostrando canales iónicos y proteínas transportadoras.

La difusión facilitada (también conocida como transporte facilitado o transporte mediado pasivo ) es el proceso de transporte pasivo espontáneo (a diferencia del transporte activo ) de moléculas o iones a través de una membrana biológica mediante 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; más bien, las moléculas y los iones se mueven hacia abajo en su gradiente de concentración de acuerdo con los principios de la difusión .

Moléculas insolubles que se difunden a través de una proteína integral.

La difusión facilitada se diferencia de la difusión simple en varios aspectos:

  1. El transporte depende de la unión molecular entre la carga y el canal incrustado en la membrana o la proteína transportadora.
  2. La tasa 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.
  3. 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]
Representación 3D de difusión facilitada

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 componen la bicapa lipídica . Solo las moléculas pequeñas y no polares, como el oxígeno y el dióxido de carbono , pueden difundirse fácilmente a través de la membrana. Por lo tanto, las moléculas polares pequeñas son transportadas por proteínas en forma de canales transmembrana. Estos canales están bloqueados, lo que significa que se abren y se cierran, y por lo tanto desregulan el flujo de iones o moléculas polares pequeñas 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 las moléculas se transportan (p. ej., glucosa o aminoácidos ). Las moléculas no polares, como el retinol o los lípidos , son poco solubles en agua. Se transportan a través de los compartimentos acuosos de las células o a través del espacio extracelular mediante portadores solubles en agua (p. ej., proteína de unión al retinol ). Los metabolitos no se alteran porque no se requiere energía para facilitar la difusión. Sólo la permeasa cambia su forma para transportar metabolitos. La forma de transporte a través de una membrana celular en la que se modifica un metabolito se denomina transporte por translocación grupal .

La glucosa, los iones de sodio y los iones de cloruro son sólo algunos ejemplos de moléculas e iones que deben atravesar eficientemente la membrana plasmática, pero para los cuales 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 un mecanismo de derivación. Algunos ejemplos de proteínas que median este proceso son los transportadores de glucosa , las proteínas de transporte de cationes orgánicos , el transportador de urea , el transportador de monocarboxilato 8 y el transportador de monocarboxilato 10 .

Modelo in vivo de difusión facilitada

Muchos procesos físicos y bioquímicos están regulados por la difusión . [3] La difusión facilitada es una forma de difusión y es importante en varios procesos metabólicos. La difusión facilitada 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 tridimensional de difusión en el citosol y la difusión unidimensional a lo largo del contorno del ADN. [4] Después de llevar a cabo una amplia investigación sobre los procesos que ocurren fuera de la célula, este mecanismo fue generalmente aceptado, pero era necesario verificar que este mecanismo pudiera tener lugar in vivo o dentro de las células vivas. Por lo tanto, Bauer y Metzler (2013) [4] llevaron a cabo un experimento utilizando un genoma bacteriano en el que investigaron el tiempo promedio para que ocurriera la unión TF - ADN. Después de analizar el proceso para 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 intracelular facilitada

La obtención de imágenes de moléculas individuales es una técnica de obtención de imágenes que proporciona una resolución ideal necesaria para el estudio del mecanismo de unión de los factores de transcripción en células vivas. [5] En las 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 objetivo en los pares de bases de 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 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 Crowder crea una presión osmótica que acerca las proteínas buscadoras (por ejemplo, el represor Lac) al ADN para aumentar su atracción y permitirles unirse, así como un efecto estérico que excluye a las proteínas Crowder de esta región (región del operador Lac). Las proteínas bloqueadoras participan solo en la difusión 1-D, es decir, se unen y difunden a lo largo del contorno del ADN y no en el citosol.

Difusión facilitada de proteínas en la 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 sitios diana en la cadena. Al igual que en las células procariotas, en los eucariotas , la difusión facilitada ocurre en el nucleoplasma en 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, es necesario 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 la afinidad ADN-proteína. [7]

Para el oxígeno

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 el oxígeno y el portador que es la hemoglobina o la mioglobina . [9] Este mecanismo de difusión facilitada de oxígeno por la hemoglobina o la mioglobina fue descubierto e iniciado por Wittenberg y Scholander. [10] Llevaron a cabo experimentos para probar el estado estable de la difusión de oxígeno a varias presiones. La difusión facilitada por oxígeno ocurre en un entorno homogéneo donde la presión de oxígeno puede controlarse relativamente. [11] [12] Para que se produzca la difusión de oxígeno, debe haber una presión de saturación completa (más) en un lado de la membrana y una presión reducida completa (menos) en el otro lado de la membrana, es decir, un lado de la membrana debe tener una concentración más alta. Durante la difusión facilitada, la hemoglobina aumenta la tasa de difusión constante de oxígeno y la difusión facilitada ocurre cuando la molécula de oxihemoglobina se desplaza aleatoriamente.

Para el monóxido de carbono

La difusión facilitada del monóxido de carbono es similar a la del oxígeno. El monóxido de carbono también se combina con la hemoglobina y la mioglobina, [12] pero 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 la glucosa

Como la glucosa es una molécula grande, su difusión a través de una membrana es difícil. [14] Por lo tanto, se difunde a través de las membranas a través de la difusión facilitada, a favor del gradiente de concentración . La proteína transportadora en la membrana se une a la glucosa y altera su forma de modo que pueda transportarse fácilmente. [15] El movimiento de la glucosa hacia la célula puede ser rápido o lento dependiendo de la cantidad de proteínas que atraviesan la membrana. Se transporta 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 la liberación de la glucosa acumulada en el espacio extracelular adyacente al capilar sanguíneo . [15]

Véase también

Referencias

  1. ^ Pratt CA, Voet D, Voet JG (2002). Fundamentos de actualización de bioquímica . Nueva York: Wiley. págs. 264–266. ISBN 0-471-41759-9.
  2. ^ Friedman, Morton (2008). Principios y modelos del transporte biológico . Springer. ISBN 978-0387-79239-2.
  3. ^ abc Klenin, Konstantin V.; Merlitz, Holger; Langowski, Jörg; Wu, Chen-Xu (2006). "Difusión facilitada de proteínas de unión al ADN". Physical Review Letters . 96 (1): 018104. arXiv : physics/0507056 . Código Bibliográfico :2006PhRvL..96a8104K. doi :10.1103/PhysRevLett.96.018104. ISSN  0031-9007. PMID  16486524. S2CID  8937433.
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  5. ^ ab Hammar, P.; Leroy, P.; Mahmutovic, A.; Marklund, EG; Berg, OG; Elf, J. (2012). "El represor lac muestra difusión facilitada en células vivas". Science . 336 (6088): 1595–1598. Bibcode :2012Sci...336.1595H. doi :10.1126/science.1221648. ISSN  0036-8075. PMID  22723426. S2CID  21351861.
  6. ^ Brackley CA, Cates ME, Marenduzzo D (septiembre de 2013). "Difusión facilitada intracelular: buscadores, aglomeradores y bloqueadores". Phys. Rev. Lett . 111 (10): 108101. arXiv : 1309.1010 . Bibcode :2013PhRvL.111j8101B. doi :10.1103/PhysRevLett.111.108101. PMID  25166711. S2CID  13220767.
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  8. ^ Kreuzer, F. (1970). "Difusión facilitada del oxígeno y su posible significado; una revisión". Fisiología de la respiración . 9 (1): 1–30. doi :10.1016/0034-5687(70)90002-2. ISSN  0034-5687. PMID  4910215.
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  11. ^ Kreuzer F, Hoofd LJ (mayo de 1972). "Factores que influyen en la difusión facilitada del oxígeno en presencia de hemoglobina y mioglobina". Respir Physiol . 15 (1): 104–24. doi :10.1016/0034-5687(72)90008-4. PMID  5079218.
  12. ^ ab Wittenberg JB (enero de 1966). "El mecanismo molecular de la difusión de oxígeno facilitada por la hemoglobina". J. Biol. Chem . 241 (1): 104–14. doi : 10.1016/S0021-9258(18)96964-4 . PMID  5901041.
  13. ^ Murray JD, Wyman J (octubre de 1971). "Difusión facilitada. El caso del monóxido de carbono". J. Biol. Chem . 246 (19): 5903–6. doi : 10.1016/S0021-9258(18)61811-3 . PMID:  5116656.
  14. ^ Thorens B (1993). "Transportadores de glucosa facilitados en células eiteliares". Annu. Rev. Physiol . 55 : 591–608. doi :10.1146/annurev.ph.55.030193.003111. PMID  8466187.
  15. ^ ab Carruthers, A. (1990). "Difusión facilitada de la glucosa". Physiological Reviews . 70 (4): 1135–1176. doi :10.1152/physrev.1990.70.4.1135. ISSN  0031-9333. PMID  2217557.
  • Difusión facilitada: descripción y animación
  • Difusión facilitada: definición y complemento
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