Tilrettelagt diffusjon: definisjon, eksempel og faktorer

Mens de utfører funksjoner som vekst, deling og syntese, bruker celler og produserer stoffer som må kunne krysse celle- og organellmembraner.

Semipermeable cellemembraner lar noen molekyler vandre over en konsentrasjonsgradient fra høykonsentrasjonssiden av membranen til lavkonsentrasjonssiden gjennom enkel diffusjon.

Tilrettelagt diffusjon lar andre viktige molekyler krysse på en selektiv måte ved at den bruker proteiner innebygd i cellemembranen for å la bestemte stoffer krysse.

De membranproteiner av forenklet diffusjon danner enten åpninger i membranen og styrer hva som kan passere, eller de bærer aktivt spesifikke molekyler gjennom membranen. Denne prosessen er spesielt viktig for å kontrollere ionestrømmen fordi mange cellefunksjoner er avhengige av tilstedeværelsen av visse ioner for å tillate en kjemisk reaksjon å fortsette.

I tillegg til ioner, kan bærerproteinene også lette passasjen av store molekyler som glukose.

Stoffer som cellen produserer eller som den trenger, kan transporteres over celle- og organellmembraner på flere måter.

I enkel diffusjonstype passiv transport, foregår diffusjon over en semipermeabel membran fra siden med en høyere konsentrasjon av det transporterte stoffet til siden med en lav konsentrasjon. Stoffet passerer gjennom membranen nedover konsentrasjonsgradienten, men noen molekyler er blokkert.

Hvis blokkerte molekyler må krysse membranen fordi de er nødvendige på den andre siden, kan lett diffusjon transportere spesifikke molekyler.

Diffusjonsmetoden fungerer gjennom membraninnebygde proteiner, men er fortsatt avhengig av konsentrasjonsgradienten for å drive molekylær bevegelse over membranen. Det krever ikke energi, men proteinene kan være selektive om hvilke molekyler de transporterer.

Noen ganger må molekyler transporteres over membraner fra en side med lav konsentrasjon til siden som har høy konsentrasjon. Dette strider mot konsentrasjonsgradienten og krever energi.

Celler som utføres aktiv transport har produsert energi og har lagret den i adenosintrifosfat (ATP) molekyler.

Aktiv transport er basert på proteiner som ligner på de som brukes til forenklet diffusjon, men de bruker energi fra ATP til å føre molekyler over membranen mot konsentrasjonsgradienten.

Etter å ha dannet en binding med molekylet som skal transporteres, bruker de a fosfatgruppe fra ATP for å endre form og deponere molekylet på den andre siden av membranen.

Cellemembraner kan tillate passering av mange små molekyler, men ladede ioner og større molekyler er vanligvis blokkert. Tilrettelagt diffusjon er en metode som slike stoffer kan komme inn i og forlate cellene. Bæreproteiner innebygd i membranen kan lette passering av ioner på to måter.

Noen proteiner er ordnet rundt en sentral gang og skaper et hull i cellens plasmamembran og åpner en sti gjennom fettsyrer av membranens indre. Spesifikke ioner kan passere gjennom slike åpninger, men bærerproteinene er designet for å la bare en type ion passere.

Andre proteiner danner ikke åpninger, men transporterer store molekyler gjennom cellemembranene. Overføringen drives fremdeles av en konsentrasjonsgradient, men bærerproteinene kobler aktivt til stoffet de transporterer.

Den delen av proteinet som er utenfor cellemembranen i det ekstracellulære rommet binder seg til molekylet til stoffet som skal transporteres, og frigjør det deretter til celleinteriøret.

Normalt hydrofob ikke-polære fettsyrer i membranene blokkerer passering av ladede polare molekyler som natriumioner. Bæreproteinene som gir åpninger for slike ioner tiltrekker seg ionene og letter deres passering gjennom ionekanaler.

De kan være designet for og la bare passere natriumioner, men ikke andre som kaliumioner. Åpninger av bærerproteiner kan også kontrollere strømmen av ioner og stenge når cellen ikke trenger flere ioner.

For transport av glukosemolekyler, som normalt er for store til å passere gjennom membranen, glukosetransportørproteiner har et sted hvor de kan binde seg til glukosemolekylene. De fester seg og letter transporten av glukose over cellemembranen. Plasseringen av et bærerprotein blir et permeabelt gap i membranen som ikke tillater glukosemolekylet å krysse andre steder.

Celler i flercellede organismer må koordinere sine aktiviteter, for eksempel når de skal vokse og når de skal dele seg. Cellene oppnår denne koordineringen ved å signalisere hva slags aktivitet de driver med og hva som er nødvendig, og frigjøre signalkjemikalier. Tilrettelagt diffusjon hjelper med cellesignalering.

Signalene kan være lokale eller langdistanse, og påvirker celler i umiddelbar nærhet eller celler i andre organer og vev. I hvert tilfelle beveger signalmolekyler seg mellom celler og må enten komme inn i målceller eller feste seg til membranen for å levere signalet.

Tilrettelagte diffusjonsproteiner kan tillate at disse signalmolekylene kommer inn i celler etter behov og lukker kommunikasjonssløyfen.

Fordi tilrettelagt diffusjon er en passiv transportmekanisme, styres det av faktorer i nærmiljøet der transporten foregår.

Det er fire slike faktorer:

• Konsentrasjon: Tilrettelagt diffusjon er avhengig av den potensielle energien representert av konsentrasjonsgradienten. En større forskjell mellom sidene med høy og lav konsentrasjon betyr en høyere gradient og raskere diffusjon.
• Bæreproteinkapasitet: Bindingshastigheten mellom stoffet som skal overføres og proteinet sammen med overføringshastigheten påvirker diffusjonshastigheten.
• Antall bærerproteinsteder: Flere nettsteder betyr høyere diffusjonskapasitet og raskere diffusjon.
• Temperatur: Kjemiske reaksjoner er temperaturavhengige, og en høyere temperatur betyr raskere reaksjonsforløp og raskere diffusjon.

Mens celler kan kontrollere antall bærerproteinsteder, er bærerproteinkapasiteten fast, og cellen har en begrenset evne til å kontrollere prosesstemperaturen og stoffkonsentrasjonen utenfor celle. Evnen til å stenge aktiviteten til bærerproteinstedet blir viktig for å kontrollere celleprosesser.

Enkel diffusjon ivaretar cellebehov når det gjelder små ikke-polare molekyler, men andre viktige stoffer kan ikke lett krysse membranene. Polare molekyler og større molekyler kan ikke diffundere over de semipermeable plasmamembranene i celler og organeller fordi det indre laget av lipider og fettsyrer blokkerer dem.

Tilrettelagt diffusjon tillater stoffer med polare eller store molekyler å komme inn og ut av cellene på en kontrollert måte.

Glukose og aminosyrerer for eksempel store molekyler som spiller en nøkkelrolle i cellefunksjoner. Glukose er et viktig næringsstoff, og aminosyrer brukes til mange celleprosesser, inkludert celledeling.

For at disse prosessene skal fortsette, muliggjør diffusjon at molekylene kan passere gjennom cellemembraner og membraner av organeller som kjernen.

Selv mindre molekyler som oksygen kan dra nytte av lettere diffusjon. Selv om oksygen kan diffundere over membraner, øker diffusjon gjennom bærerproteiner overføringshastigheten og hjelper med funksjonene til blodceller og muskler.

Samlet sett spiller disse membraninnebygde proteinene en viktig rolle i en rekke celleprosesser.

Andre emner:

• Karbondioksid
• røde blodceller