Faciliterad spridning - definition, exempel och frågesport | Biologisk ordbok (2023)

Faciliterad diffusionsdefinition

Förenklad diffusion är en form av underlättad transport som involverar passiv rörelse av molekyler längs deras koncentrationsgradient, styrd av närvaron av en annan molekyl - vanligtvis ett integrerat membranprotein som bildar en por eller kanal.

Underlättad diffusion involverar inte direkt högenergimolekyler som adenosintrifosfat (ATP) eller guanosintrifosfat (GTP) eftersom molekylerna rör sig längs sin koncentrationsgradient.

Faktorer som påverkar diffusion

Drivkraften bakom diffusion av vätskor är helt enkelt sannolikheten bakom Brownsk rörelse. Alla molekyler har en viss grad av oregelbunden, slumpmässig rörelse, till stor del beroende på temperatur. När temperaturen ökar ökar energin hos dessa molekyler.

När ett ämne är högkoncentrerat i en viss region kommer molekylära rörelser, särskilt i periferin, att leda till en gradvis spridning av ämnet. När alla molekyler inom regionen rör sig slumpmässigt, är vissa skyldiga att röra sig utåt, till ett område där dess koncentration är låg. Å andra sidan är det mindre sannolikt att slumpmässig molekylär rörelse kommer att resultera i riktningsrörelsen från ett område med låg koncentration specifikt mot områden med hög koncentration.

Till exempel, när någon går in i ett rum med en stark parfym, diffunderar de luktande molekylerna utåt, från huden eller kläderna. Människorna i rummet uppfattar några av dessa slumpmässigt rörliga molekyler när de utlöser sensoriska receptorer i näsan. När det finns en hög täthet av doftande molekyler i en region, finns det en chans att några kommer att flytta bort på grund av den medfödda kinetiska energin hos dessa molekyler. Sannolikheten för att dessa få herrelösa molekyler kommer att röra sig på ett riktat sätt, tillbaka mot ärmen eller manschetten på personen som bär parfymen är dock relativt liten. Slutresultatet är ett moln av gradvis minskande koncentration bort från personen som bär parfymen.

Som framgår av exemplet behöver diffusionen av en molekyl en koncentrationsgradient. Om alla i rummet bär samma parfym skulle det bli minimal effekt av att en ny person kommer in i rummet. Dessutom ökar temperaturen diffusionshastigheten. Så under varma dagar sprids parfymen snabbt över rummet. Diffusion är också beroende av storleken på själva molekylen och mediets natur.

Det beror dock inte på koncentrationen av något annat ämne i mediet. I det föregående exemplet kommer rakningen av personen bredvid dig inte att påverka spridningshastigheten för parfymen mot dig. Även om detta kan vara en obehaglig upplevelse, är oberoende diffusion en viktig egenskap hos molekyler som gör att celler kan ta in näringsämnen (diffunderar i en riktning), samtidigt som de driver ut metabola avfallsprodukter (diffunderar utåt i motsatt riktning).

Underlättad diffusion över membran

Diffusion är överallt i biosfären. Det ses i rörelsen av luft och vatten, och är en nödvändig kraft som driver globala vädermönster. Inom levande system skapar närvaron av lipidbaserade membran fack som tillåter selektiv koncentration av vattenlösliga ämnen. Till exempel kan mitokondriella membran skapa 2 distinkta regioner inom organellen - den inre matrisen och utrymmet mellan membranet. Var och en av dessa underavdelningar har en specifik sammansättning och funktion, skild från de angränsande utrymmena. Att skapa ordning på detta sätt är ett av kännetecknen för nästan varje enhet i den levande världen – från organeller i en cell till hela organsystem och organismer.

Detta betyder dock automatiskt att joner, små molekyler, proteiner och andra lösta ämnen har olika koncentrationer över lipidbilager. Dessutom kan polära, laddade eller hydrofila molekyler inte passera biologiska membran. Även om detta är användbart för att upprätthålla integriteten för varje fack, är det lika nödvändigt för molekyler att röra sig över membranen, längs deras koncentrationsgradient, när det behövs.

Diffusion av gaser

Ett utmärkt exempel på detta är rörelsen av syre och koldioxid i aktivt andande vävnader och celler. Dessa celler behöver tillförsel av syre och glukos medan koldioxid måste avlägsnas och utvisas från kroppen. Eftersom var och en av dessa molekyler rör sig från områden med hög koncentration till områden med låg koncentration, finns det ingen direkt inblandning av ATP eller andra energivalutamolekyler. De behöver dock korsa flera lipiddubbelskikt – från mitokondriella membran till cellens plasmamembran och sedan lipiddubbelskikten i endotelceller som täcker blodkapillärerna, plasmamembranen i röda blodkroppar och slutligen membranen i celler som bildar alveolära säckar i lungorna.

Behov av underlättad diffusion

Cellmembran är endast fritt permeabla för en mycket begränsad klass av molekyler. De måste vara små i storleken och opolära. Även om detta tillåter molekyler som vatten, syre och koldioxid att diffundera över membranen, utesluter det praktiskt taget varje biopolymer, de flesta näringsämnen och många viktiga små molekyler.

Till exempel är glukos en relativt stor molekyl som inte kan diffundera direkt genom lipiddubbelskiktet. På liknande sätt laddas viktiga joner som natrium-, kalium- eller kalciumjoner och stöts därför bort av cellmembranens lipofila kärna. Aminosyror och nukleinsyror är polära, ofta laddade och för stora för att använda enkel diffusion för att komma in i och ut ur celler. Ibland kan inte ens bulkrörelsen av vatten över membranen ske snabbt genom lipiddubbelskiktet.

I dessa situationer blir underlättad diffusion, genom integrerade membranproteiner, viktig. Dessa transmembranproteiner är vanligtvis av två typer – de som fungerar som bärare och de som bildar kanaler över membranet.

Transportörer och kanaler

Studiet av integrala membranproteiner är alltid svårt, eftersom de är gjorda av långa hydrofoba sträckor varvat med hydrofila regioner. Att kristallisera dessa proteiner för att förstå deras struktur är fyllt med svårigheter. Men många av dessa proteiner har karakteriserats genom geniala metoder och vi har viss förståelse för deras aktivitet.

Bärarproteiner involverade i underlättad diffusion har ofta två konformationer. Bindningen av en molekyl på ena sidan av membranet inducerar en förändring i den tredimensionella strukturen av proteinet, vilket tillåter passage av molekylen till den andra sidan.

Bilden visar hur en specifik molekyl (representerad som en grön äggformad partikel) kan inducera bindningsrelaterad konformationsförändring i bärarproteinet, vilket skapar en passage in i cellen.

Proteiner som bildar kanaler har å andra sidan små porer som selektivt låter vissa molekyler passera igenom. Det finns ett antal mekanismer som bestämmer passformen mellan en molekyl och dess kanalproteiner – från storlek till laddning och förmågan att interagera med aminosyrasidokedjorna som kantar porerna. Vissa kanalproteiner kan visa en tusenfaldig preferens för en molekyl framför andra biokemiskt liknande ämnen.

Bilden är en representation av en akvaporinmolekyl – proteinkanaler som tillåter snabb bulkrörelse av vatten.

Exempel på underlättad diffusion

Ett antal viktiga molekyler genomgår underlättad diffusion för att röra sig mellan celler och subcellulära organeller.

Glukostransportör

När maten smälts, finns det en hög koncentration av glukos i tunntarmen. Detta transporteras genom membranen i cellerna i matsmältningskanalen, mot de endotelceller som täcker blodkapillärerna. Därefter transporteras glukos genom hela kroppen av cirkulationssystemet. När blod strömmar genom vävnader som behöver energi, passerar glukos endotelcellmembranen igen och kommer in i celler med låg glukoskoncentration. Ibland, när blodsockernivåerna sjunker, kan rörelsen ske i omvänd riktning – från kroppsvävnader till blodcirkulationen. Till exempel kan leverceller generera glukos även från icke-kolhydratkällor för att bibehålla en basal blodsockerkoncentration och förhindra hypoglykemi.

Glukostransportören som underlättar denna rörelse är ett bärarprotein som har två stora konformationsstrukturer. Även om den exakta tredimensionella strukturen inte är känd, orsakar bindningen av glukos troligen en konformationsförändring som gör att bindningsstället är vänt mot cellens inre. När glukos släpps ut i cellen återgår transportören till sin ursprungliga konformation.

Jonkanaler

Jonkanaler har studerats omfattande i excitatoriska celler som neuroner och muskelfibrer eftersom jonernas rörelse över membranet är en integrerad del av deras funktion. Dessa kanalproteiner bildar porer på lipiddubbelskiktet som kan vara antingen i öppen eller sluten konformation, beroende på cellens elektriska potential och bindningen av ligander. I denna mening kallas dessa proteiner "gated" kanaler.

Närvaron av jonpumpar i de flesta celler säkerställer att den extracellulära vätskans jonsammansättning skiljer sig från cytosolen. Vilopotentialen för vilken cell som helst drivs av denna process, med ett överskott av natriumjoner i den extracellulära regionen och ett överskott av kaliumjoner i cellen. Den elektriska gradienten och koncentrationsgradienten som genereras på detta sätt används för utbredning av aktionspotentialer längs neuroner och muskelcellers kontraktilitet.

När en liten förändring i spänningen i en cell inträffar öppnas natriumjonkanaler och tillåter ett snabbt inträngande av natriumjoner i cellen. Detta i sin tur inducerar öppnandet av kaliumjonkanaler, vilket gör att dessa joner kan röra sig utåt, vilket visar att diffusionen av ett ämne kan ske oberoende av ett annat. På några millisekunder kan en region i cellmembranet genomgå stora förändringar i spänning – från -75 mV till +30 mV.

Bindningen av signalsubstanser som acetylkolin till receptorer på muskelceller förändrar permeabiliteten hos ligandstyrda jonkanaler. Transmembrankanalen är gjord av flera underenheter arrangerade som en sluten cylinder. Bindningen av liganden (acetylkolin) förändrar konformationen av de hydrofoba sidokedjorna som blockerar den centrala passagen. Detta leder till ett snabbt inflöde av natriumjoner till muskelcellen. Förändringen i cellens elektriska potential resulterar vidare i att kalciumjonkanaler öppnas, vilka sedan leder till sammandragning av muskelfibern.

Akvaporiner

Liksom andra transmembranproteiner har aquaporiner inte karakteriserats fullt ut. Det är dock känt att det finns många sådana kanaler för snabb passage av vattenmolekyler i nästan varje cell. Dessa mycket konserverade proteiner finns i bakterier, växter, svampar och djur. Mutationer i proteinerna som bildar aquaporiner kan leda till sjukdomar som diabetes insipidus.

• Brownsk rörelse– Slumpmässiga fluktuationer i partiklarnas hastighet i ett flytande medium som vanligtvis uppstår från intermolekylära kollisioner.
• Hypoglykemi– Tillstånd som kännetecknas av låga blodsockernivåer.
• Integral membranprotein– Proteiner som är strukturellt och funktionellt en integrerad del av ett biologiskt membran. Kan korsa hela membranets bredd eller fästas genom en liten länkregion.
• Partiellt tryck– Hypotetiskt mått på koncentrationen av en gas i en blandning av gaser.

Frågesport

1. Vilket av dessa påståenden om underlättad diffusion av molekyler är sant?
A.Involverar inte direkt ATP
B.Behöver närvaron av en annan molekyl
C.Nödvändigt för diffusion av polära molekyler över ett membran
D.Alla ovanstående

2. Vilken av dessa faktorer påverkar diffusionshastigheten?
A.Temperatur
B.Mediets viskositet
C.Storlek på partiklar
D.Alla ovanstående

3. Vilket av dessa påståenden är INTE sant?
A.Glukos genomgår underlättad diffusion genom en transmembrankanal
B.Vatten kan röra sig över ett membran även i frånvaro av akvaporiner
C.Kaliumjontransportören har tusen gånger större affinitet för kaliumjoner jämfört med natriumjoner
D.Alla ovanstående