Διευκόλυνση Διάχυσης: Ορισμός, Παράδειγμα & Παράγοντες

Κατά την εκτέλεση λειτουργιών όπως η ανάπτυξη, η διαίρεση και η σύνθεση, τα κύτταρα χρησιμοποιούν και παράγουν ουσίες που πρέπει να είναι ικανές να διασχίζουν τις μεμβράνες των κυττάρων και των οργανικών.

Οι ημιδιαπερατές κυτταρικές μεμβράνες επιτρέπουν σε ορισμένα μόρια να διασχίζουν το α βαθμίδα συγκέντρωσης από την πλευρά υψηλής συγκέντρωσης της μεμβράνης στην πλευρά χαμηλής συγκέντρωσης μέσω απλής διάχυσης.

Διευκόλυνση της διάχυσης επιτρέπει σε άλλα σημαντικά μόρια να διασταυρωθούν με επιλεκτικό τρόπο, δεδομένου ότι χρησιμοποιεί πρωτεΐνες ενσωματωμένες στην κυτταρική μεμβράνη για να επιτρέψει τη διέλευση ορισμένων ουσιών.

ο πρωτεΐνες μεμβράνης διευκολυνμένης διάχυσης είτε σχηματίζουν ανοίγματα στη μεμβράνη και ελέγχουν τι μπορεί να περάσει, ή μεταφέρουν ενεργά συγκεκριμένα μόρια μέσω της μεμβράνης. Αυτή η διαδικασία είναι ιδιαίτερα σημαντική για τον έλεγχο της ροής των ιόντων επειδή πολλές κυτταρικές λειτουργίες εξαρτώνται από την παρουσία ορισμένων ιόντων για να επιτρέπεται η χημική αντίδραση να προχωρήσει.

Εκτός από τα ιόντα, οι πρωτεΐνες φορείς μπορούν επίσης να διευκολύνουν τη διέλευση μεγάλων μορίων όπως η γλυκόζη.

Ουσίες που παράγει το κύτταρο ή που χρειάζεται μπορεί να μεταφερθεί σε μεμβράνες κυττάρων και οργανικών με διάφορους τρόπους. Παθητική μεταφορά δεν απαιτεί είσοδο ενέργειας και χρησιμοποιεί την κλίση συγκέντρωσης για να τροφοδοτήσει την κίνηση των μορίων.

Στο απλός τύπος διάχυσης παθητικής μεταφοράς, η διάχυση πραγματοποιείται σε μια ημιδιαπερατή μεμβράνη από την πλευρά με υψηλότερη συγκέντρωση της μεταφερόμενης ουσίας στην πλευρά με χαμηλή συγκέντρωση. Η ουσία περνά μέσω της μεμβράνης κάτω από τη βαθμίδα συγκέντρωσης, αλλά μερικά μόρια μπλοκάρονται.

Εάν τα μπλοκαρισμένα μόρια πρέπει να διασχίσουν τη μεμβράνη επειδή είναι απαραίτητα στην άλλη πλευρά, η διευκόλυνση της διάχυσης μπορεί να μεταφέρει συγκεκριμένα μόρια.

Η μέθοδος διάχυσης λειτουργεί μέσω πρωτεϊνών που είναι ενσωματωμένες στη μεμβράνη, αλλά εξακολουθεί να βασίζεται στη βαθμίδα συγκέντρωσης για τη δύναμη της μοριακής κίνησης κατά μήκος της μεμβράνης. Δεν απαιτεί ενέργεια, αλλά οι πρωτεΐνες μπορούν να είναι επιλεκτικές για τα μόρια που μεταφέρουν.

Μερικές φορές τα μόρια πρέπει να μεταφέρονται διαμέσου μεμβρανών από μια πλευρά με χαμηλή συγκέντρωση στην πλευρά που έχει υψηλή συγκέντρωση. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με τη βαθμίδα συγκέντρωσης και απαιτεί ενέργεια.

Κύτταρα που εκτελούν ενεργή μεταφορά έχουν παραγάγει ενέργεια και την έχουν αποθηκεύσει τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP) μόρια.

Ενεργή μεταφορά βασίζεται σε πρωτεΐνες παρόμοιες με αυτές που χρησιμοποιούνται για τη διευκόλυνση της διάχυσης, αλλά χρησιμοποιούν ενέργεια από το ΑΤΡ για να μεταφέρουν μόρια κατά μήκος της μεμβράνης έναντι της βαθμίδας συγκέντρωσης.

Αφού σχηματίσουν έναν δεσμό με το προς μεταφορά μόριο, χρησιμοποιούν ένα φωσφορική ομάδα από την ΑΤΡ για αλλαγή σχήματος και απόθεση του μορίου στην άλλη πλευρά της μεμβράνης.

Κυτταρικές μεμβράνες μπορεί να επιτρέψει τη διέλευση πολλών μικρών μορίων, αλλά τα φορτισμένα ιόντα και τα μεγαλύτερα μόρια είναι γενικά αποκλεισμένα. Η διευκόλυνση της διάχυσης είναι μια μέθοδος με την οποία τέτοιες ουσίες μπορούν να εισέλθουν και να φύγουν από τα κύτταρα. Οι πρωτεΐνες φορέα που είναι ενσωματωμένες στη μεμβράνη μπορούν να διευκολύνουν τη διέλευση των ιόντων με δύο τρόπους.

Ορισμένες πρωτεΐνες είναι διατεταγμένες γύρω από μια κεντρική δίοδο και δημιουργούν μια τρύπα στη μεμβράνη πλάσματος του κυττάρου, ανοίγοντας μια διαδρομή μέσω του λιπαρά οξέα του εσωτερικού της μεμβράνης. Συγκεκριμένα ιόντα μπορούν να περάσουν από τέτοια ανοίγματα, αλλά οι πρωτεΐνες φορείς είναι σχεδιασμένες ώστε να επιτρέπουν μόνο ένα είδος ιόντος να διέρχεται.

Άλλες πρωτεΐνες δεν σχηματίζουν ανοίγματα αλλά μεταφέρουν μεγάλα μόρια μέσω των κυτταρικών μεμβρανών. Η μεταφορά εξακολουθεί να τροφοδοτείται από μια βαθμίδα συγκέντρωσης, αλλά οι πρωτεΐνες φορείς συνδέονται ενεργά με την ουσία που μεταφέρουν.

Το τμήμα της πρωτεΐνης που βρίσκεται έξω από την κυτταρική μεμβράνη στον εξωκυτταρικό χώρο συνδέεται με το μόριο της προς μεταφορά ουσίας και στη συνέχεια την απελευθερώνει στο εσωτερικό του κυττάρου.

Κανονικά το υδροφόβος μη πολικά λιπαρά οξέα των μεμβρανών εμποδίζουν τη διέλευση φορτισμένων πολικών μορίων όπως ιόντων νατρίου. Οι πρωτεΐνες φορείς που παρέχουν ανοίγματα για τέτοια ιόντα προσελκύουν τα ιόντα και διευκολύνουν τη διέλευσή τους μέσω καναλιών ιόντων.

Μπορεί να είναι σχεδιασμένα και να αφήνουν μόνο ιόντα νατρίου αλλά όχι άλλα όπως ιόντα καλίου. Τα ανοίγματα της πρωτεΐνης φορέα μπορούν επίσης να ελέγχουν τη ροή των ιόντων, κλείνοντας όταν το κύτταρο δεν χρειάζεται περισσότερα ιόντα.

Για τη μεταφορά μορίων γλυκόζης, τα οποία είναι συνήθως πολύ μεγάλα για να περάσουν από τη μεμβράνη, πρωτεΐνες μεταφοράς γλυκόζης έχουν μια τοποθεσία όπου μπορούν να συνδεθούν με τα μόρια γλυκόζης. Συνδέονται και διευκολύνουν τη μεταφορά γλυκόζης μέσω της κυτταρικής μεμβράνης. Η θέση μιας πρωτεΐνης φορέα γίνεται ένα διαπερατό διάκενο στη μεμβράνη που δεν επιτρέπει στο μόριο γλυκόζης να διασχίσει αλλού.

Τα κύτταρα σε πολυκύτταρους οργανισμούς πρέπει να συντονίσουν τις δραστηριότητές τους, όπως πότε να αναπτυχθούν και πότε να διαιρεθούν. Τα κύτταρα επιτυγχάνουν αυτόν τον συντονισμό σηματοδοτώντας τι είδους δραστηριότητα ασχολούνται και τι χρειάζεται, απελευθερώνοντας χημικές ουσίες σηματοδότησης. Η διευκόλυνση της διάχυσης βοηθά στην κυτταρική σηματοδότηση.

Τα σήματα μπορεί να είναι τοπικά ή σε μεγάλη απόσταση, επηρεάζοντας τα κύτταρα στην άμεση γειτονιά ή τα κύτταρα σε άλλα όργανα και ιστούς. Σε κάθε περίπτωση, τα μόρια σηματοδότησης ταξιδεύουν μεταξύ των κυττάρων και πρέπει είτε να εισέλθουν σε κύτταρα στόχους είτε να προσκολληθούν στη μεμβράνη τους για να δώσουν το σήμα τους.

Οι διευκολυνμένες πρωτεΐνες διάχυσης μπορούν να επιτρέψουν σε αυτά τα μόρια σηματοδότησης να εισέλθουν στα κύτταρα όπως απαιτείται και να κλείσουν τον βρόχο επικοινωνίας.

Επειδή η διευκόλυνση της διάχυσης είναι παθητικός μηχανισμός μεταφοράς, διέπεται από παράγοντες στο άμεσο περιβάλλον όπου πραγματοποιείται η μεταφορά.

Υπάρχουν τέσσερις τέτοιοι παράγοντες:

• Συγκέντρωση: Η διευκόλυνση της διάχυσης βασίζεται στην πιθανή ενέργεια που αντιπροσωπεύεται από τη βαθμίδα συγκέντρωσης. Μια μεγαλύτερη διαφορά μεταξύ των πλευρών υψηλής και χαμηλής συγκέντρωσης σημαίνει μεγαλύτερη κλίση και ταχύτερη διάχυση.
• Ικανότητα πρωτεΐνης φορέα: Ο ρυθμός δέσμευσης μεταξύ της προς μεταφορά ουσίας και της πρωτεΐνης μαζί με την ταχύτητα μεταφοράς επηρεάζει το ρυθμό διάχυσης.
• Αριθμός τοποθεσιών πρωτεϊνών φορέα: Περισσότεροι ιστότοποι σημαίνει υψηλότερη ικανότητα διάδοσης και ταχύτερη διάδοση.
• Θερμοκρασία: Οι χημικές αντιδράσεις εξαρτώνται από τη θερμοκρασία και μια υψηλότερη θερμοκρασία σημαίνει ταχύτερη πρόοδο της αντίδρασης και ταχύτερη διάχυση.

Ενώ τα κύτταρα μπορούν να ελέγχουν τον αριθμό των θέσεων πρωτεΐνης φορέα, η ικανότητα πρωτεΐνης φορέα είναι σταθερή και το το κύτταρο έχει περιορισμένη ικανότητα να ελέγχει τη θερμοκρασία της διαδικασίας και τη συγκέντρωση της ουσίας εκτός του κύτταρο. Η ικανότητα τερματισμού της δραστηριότητας της θέσης πρωτεΐνης φορέα γίνεται σημαντική για τον έλεγχο των κυτταρικών διεργασιών.

Η απλή διάχυση φροντίζει για τις κυτταρικές ανάγκες όσον αφορά μικρά μη πολικά μόρια, αλλά άλλες σημαντικές ουσίες δεν μπορούν εύκολα να διασχίσουν τις μεμβράνες. Τα πολικά μόρια και τα μεγαλύτερα μόρια δεν μπορούν να διαχέονται στις ημιπερατές μεμβράνες πλάσματος των κυττάρων και των οργανιδίων επειδή το εσωτερικό στρώμα των λιπιδίων και των λιπαρών οξέων τα εμποδίζει.

Η διευκόλυνση της διάχυσης επιτρέπει σε ουσίες με πολικά ή μεγάλα μόρια να εισέρχονται και να εξέρχονται από τα κύτταρα με ελεγχόμενο τρόπο.

Γλυκόζη και αμινοξέα, για παράδειγμα, είναι μεγάλα μόρια που παίζουν βασικό ρόλο στις λειτουργίες των κυττάρων. Η γλυκόζη είναι ένα σημαντικό θρεπτικό συστατικό και τα αμινοξέα χρησιμοποιούνται για πολλές κυτταρικές διεργασίες, συμπεριλαμβανομένης της κυτταρικής διαίρεσης.

Για να προχωρήσουν αυτές οι διεργασίες, η διευκόλυνση της διάχυσης επιτρέπει στα μόρια να διέρχονται από κυτταρικές μεμβράνες και μεμβράνες οργανίων όπως ο πυρήνας.

Ακόμα και μικρότερα μόρια όπως το οξυγόνο μπορούν να επωφεληθούν από τη διευκόλυνση της διάχυσης. Αν και το οξυγόνο μπορεί να διαχέεται σε μεμβράνες, η διευκόλυνση της διάχυσης μέσω των πρωτεϊνών του φορέα αυξάνει το ρυθμό μεταφοράς και βοηθά με τις λειτουργίες των κυττάρων του αίματος και των μυών.

Συνολικά, αυτές οι ενσωματωμένες μεμβράνες πρωτεΐνες παίζουν ζωτικό ρόλο σε μια ποικιλία κυτταρικών διεργασιών.

Άλλα θέματα:

• Διοξείδιο του άνθρακα
• ερυθρά αιμοσφαίρια