Difusão facilitada

Difusão facilitada na membrana celular, mostrando canais de íons e proteínas transportadoras

Difusão facilitada (também conhecida como transporte facilitado ou transporte mediado por passivo) é o processo de transporte passivo espontâneo (em oposição ao transporte ativo transporte) de moléculas ou íons através de uma membrana biológica através de proteínas integrais transmembrana específicas. Sendo passivo, o transporte facilitado não requer energia química diretamente da hidrólise do ATP na própria etapa de transporte; em vez disso, moléculas e íons movem-se a favor de seu gradiente de concentração, refletindo sua natureza difusa.

Moléculas insolúveis que difundem através de uma proteína integral.

A difusão facilitada difere da difusão simples de várias maneiras.

1. o transporte depende da ligação molecular entre a carga e a proteína de canal ou portador embutido por membrana.
2. a taxa de difusão facilitada é saturável em relação à diferença de concentração entre as duas fases; ao contrário da difusão livre que é linear na diferença de concentração.
3. a dependência de temperatura do transporte facilitado é substancialmente diferente devido à presença de um evento de ligação ativado, em comparação com a difusão livre onde a dependência da temperatura é leve.

renderização 3D de difusão facilitada

Moléculas polares e grandes íons dissolvidos em água não podem se difundir livremente através da membrana plasmática devido à natureza hidrofóbica das caudas de ácidos graxos dos fosfolipídios que compõem a bicamada lipídica. Apenas moléculas pequenas e apolares, como oxigênio e dióxido de carbono, podem se difundir facilmente através da membrana. Assim, pequenas moléculas polares são transportadas por proteínas na forma de canais transmembranares. Esses canais são fechados, o que significa que eles abrem e fecham e, assim, desregulam o fluxo de íons ou pequenas moléculas polares através das membranas, às vezes contra o gradiente osmótico. Moléculas maiores são transportadas por proteínas transportadoras transmembrana, como permeases, que mudam sua conformação à medida que as moléculas são transportadas (por exemplo, glicose ou aminoácidos). Moléculas apolares, como retinol ou lipídios, são pouco solúveis em água. Eles são transportados através dos compartimentos aquosos das células ou através do espaço extracelular por transportadores solúveis em água (por exemplo, proteína de ligação ao retinol). Os metabólitos não são alterados porque nenhuma energia é necessária para a difusão facilitada. Somente a permease muda sua forma para transportar metabólitos. A forma de transporte através de uma membrana celular na qual um metabólito é modificado é chamada de transporte por translocação de grupo.

Glucose, íons de sódio e íons de cloreto são apenas alguns exemplos de moléculas e íons que devem atravessar a membrana plasmática de forma eficiente, mas aos quais a bicamada lipídica da membrana é praticamente impermeável. Seu transporte deve, portanto, ser "facilitado" por proteínas que atravessam a membrana e fornecem uma rota alternativa ou mecanismo de desvio. Alguns exemplos de proteínas que medeiam esse processo são os transportadores de glicose, proteínas transportadoras de cátions orgânicos, transportador de uréia, transportador de monocarboxilato 8 e transportador de monocarboxilato 10.

Modelo in vivo de difusão facilitada

Muitos processos físicos e bioquímicos são regulados por difusão. A difusão facilitada é uma forma de difusão e é importante em vários processos metabólicos. A difusão facilitada é o principal mecanismo por trás da ligação dos Fatores de Transcrição (TFs) a locais-alvo designados na molécula de DNA. O modelo in vitro, que é um método muito conhecido de difusão facilitada, que ocorre fora de uma célula viva, explica o padrão tridimensional de difusão no citosol e a difusão unidimensional ao longo do contorno do DNA. Depois de extensa pesquisa sobre processos que ocorrem fora da célula, esse mecanismo foi geralmente aceito, mas havia a necessidade de verificar se esse mecanismo poderia ocorrer in vivo ou dentro de células vivas. Bauer & Metzler (2013) realizou, então, um experimento utilizando um genoma bacteriano no qual investigaram o tempo médio para que ocorra a ligação TF – DNA. Depois de analisar o processo pelo tempo que leva para os TF's se difundirem pelo contorno e citoplasma do DNA da bactéria, concluiu-se que in vitro e in vivo são semelhantes em que as taxas de associação e dissociação de TF's de e para o DNA são semelhantes em ambos. Além disso, no contorno do DNA, o movimento é mais lento e os locais-alvo são fáceis de localizar, enquanto no citoplasma, o movimento é mais rápido, mas os TF's não são sensíveis aos seus alvos e, portanto, a ligação é restrita.

Difusão facilitada intracelular

A imagem de molécula única é uma técnica de imagem que fornece uma resolução ideal necessária para o estudo do mecanismo de ligação do fator de transcrição em células vivas. Em células de bactérias procarióticas como E. coli, a difusão facilitada é necessária para que as proteínas reguladoras localizem e se liguem aos locais alvo nos pares de bases do DNA. Existem 2 etapas principais envolvidas: a proteína se liga a um local não específico no DNA e então se difunde ao longo da cadeia de DNA até localizar um local de destino, um processo conhecido como deslizamento. De acordo com Brackley et al. (2013), durante o processo de deslizamento da proteína, a proteína percorre todo o comprimento da cadeia de DNA usando padrões de difusão 3-D e 1-D. Durante a difusão 3-D, a alta incidência de proteínas Crowder cria uma pressão osmótica que aproxima as proteínas searcher (por exemplo, Lac Repressor) do DNA para aumentar sua atração e permitir que se liguem, bem como um efeito estérico que exclui as proteínas Crowder de nesta região (região do operador Lac). As proteínas bloqueadoras participam apenas da difusão 1-D, ou seja, ligam-se e difundem-se ao longo do contorno do DNA e não no citosol.

Difusão facilitada de proteínas na cromatina

O modelo in vivo mencionado acima explica claramente a difusão 3-D e 1-D ao longo da fita de DNA e a ligação de proteínas a locais-alvo na cadeia. Assim como nas células procarióticas, nos eucariotos, a difusão facilitada ocorre no nucleoplasma nos filamentos da cromatina, explicada pela dinâmica de comutação de uma proteína quando ela está ligada a um fio de cromatina ou quando se difunde livremente no nucleoplasma. Além disso, como a molécula de cromatina é fragmentada, suas propriedades fractais precisam ser consideradas. Depois de calcular o tempo de busca de uma proteína-alvo, alternando entre as fases de difusão 3-D e 1-D na estrutura fractal da cromatina, deduziu-se que a difusão facilitada em eucariotos precipita o processo de busca e minimiza o tempo de busca aumentando o DNA- afinidade proteica.

Para oxigênio

A afinidade do oxigênio com a hemoglobina nas superfícies dos glóbulos vermelhos aumenta essa capacidade de ligação. Em um sistema de difusão facilitada de oxigênio, existe uma estreita relação entre o ligante, que é o oxigênio, e o transportador, que é a hemoglobina ou a mioglobina. Esse mecanismo de difusão facilitada de oxigênio pela hemoglobina ou mioglobina foi descoberto e iniciado por Wittenberg e Scholander. Eles realizaram experimentos para testar o estado estacionário de difusão de oxigênio em várias pressões. A difusão facilitada por oxigênio ocorre em um ambiente homogêneo onde a pressão de oxigênio pode ser relativamente controlada. Para que ocorra a difusão de oxigênio, deve haver uma pressão de saturação total (mais) em um lado da membrana e pressão reduzida total (menos) no outro lado da membrana, ou seja, um lado da membrana deve ser de maior concentração. Durante a difusão facilitada, a hemoglobina aumenta a taxa de difusão constante de oxigênio e a difusão facilitada ocorre quando a molécula de oxi-hemoglobina é deslocada aleatoriamente.

Para monóxido de carbono

A difusão facilitada do monóxido de carbono é semelhante à do oxigênio. O monóxido de carbono também se combina com a hemoglobina e a mioglobina, mas o monóxido de carbono tem uma velocidade de dissociação 100 vezes menor que a do oxigênio. Sua afinidade pela mioglobina é 40 vezes maior e 250 vezes maior pela hemoglobina, em comparação com o oxigênio.

Para glicose

Como a glicose é uma molécula grande, sua difusão através da membrana é difícil. Portanto, ele se difunde através das membranas por meio de difusão facilitada, a favor do gradiente de concentração. A proteína carreadora na membrana liga-se à glicose e altera sua forma para que possa ser facilmente transportada. O movimento da glicose para dentro da célula pode ser rápido ou lento, dependendo do número de proteínas que atravessam a membrana. É transportado contra o gradiente de concentração por um simportador de glicose dependente, que fornece uma força motriz para outras moléculas de glicose nas células. A difusão facilitada ajuda na liberação da glicose acumulada no espaço extracelular adjacente ao capilar sanguíneo.