La difusión facilitada (también conocida como transporte facilitado o transporte mediado pasivamente ) es el proceso de transporte pasivo espontáneo (a diferencia del transporte activo ) de moléculas o iones a través de una membrana biológica a través de proteínas integrales transmembrana específicas . [1] Al ser pasivo, el transporte facilitado no requiere directamente energía química de la hidrólisis del ATP en el propio paso del transporte; más bien, las moléculas y los iones se mueven a favor de su gradiente de concentración de acuerdo con los principios de difusión .
La difusión facilitada se diferencia de la difusión simple en varios aspectos:
Las moléculas polares y los iones grandes disueltos en agua no pueden difundir libremente a través de la membrana plasmática debido a la naturaleza hidrofóbica de las colas de ácidos grasos de los fosfolípidos que componen la bicapa lipídica . Sólo las moléculas pequeñas y no polares, como el oxígeno y el dióxido de carbono , pueden difundirse fácilmente a través de la membrana. Por tanto, las proteínas transportan pequeñas moléculas polares en forma de canales transmembrana. Estos canales están cerrados, lo que significa que se abren y cierran y, por lo tanto, desregulan el flujo de iones o pequeñas moléculas polares a través de las membranas , a veces contra el gradiente osmótico. Las moléculas más grandes son transportadas por proteínas portadoras transmembrana, como las permeasas , que cambian su conformación a medida que las moléculas son transportadas (por ejemplo, glucosa o aminoácidos ). Las moléculas no polares, como el retinol o los lípidos , son poco solubles en agua. Se transportan a través de compartimentos acuosos de las células o a través del espacio extracelular mediante vehículos solubles en agua (p. ej., proteína fijadora de retinol ). Los metabolitos no se alteran porque no se requiere energía para facilitar la difusión. Sólo la permeasa cambia de 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 sodio y los iones cloruro son sólo algunos ejemplos de moléculas e iones que deben cruzar eficientemente la membrana plasmática pero a las que 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 mecanismo de derivación. Algunos ejemplos de proteínas que median en este proceso son los transportadores de glucosa , las proteínas transportadoras de cationes orgánicos , el transportador de urea , el transportador de monocarboxilato 8 y el transportador de monocarboxilato 10 .
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 principal mecanismo 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 extensa investigación sobre los procesos que ocurren fuera de la célula, este mecanismo fue generalmente aceptado, pero era necesario verificar que este mecanismo podría tener lugar in vivo o dentro de las células vivas. Por lo tanto , Bauer & Metzler (2013) [4] llevaron a cabo un experimento utilizando un genoma bacteriano en el que investigaron el tiempo promedio para que se produjera la unión TF-ADN. Después de analizar el proceso para determinar 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.
La obtención de imágenes de una sola molécula es una técnica de obtención de imágenes que proporciona una resolución ideal necesaria para el estudio del mecanismo de unión del factor de transcripción en las células vivas. [5] En las células de bacterias procarióticas como E. coli , se requiere una difusión facilitada para que las proteínas reguladoras ubiquen y se unan a sitios objetivo en los pares de bases del ADN. [3] [5] [6] Hay dos 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 la proteína, la proteína busca a lo largo de toda la cadena de ADN utilizando patrones de difusión tridimensionales y unidimensionales. Durante la difusión tridimensional, la alta incidencia de las proteínas Crowder crea una presión osmótica que acerca las proteínas buscadoras (por ejemplo, Lac Repressor) 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 únicamente en la difusión 1-D, es decir, se unen y difunden a lo largo del contorno del ADN y no en el citosol.
El modelo in vivo mencionado anteriormente explica claramente la difusión tridimensional y unidimensional a lo largo de la cadena de ADN y la unión de proteínas a sitios objetivo de la cadena. Al igual que las células procariotas, en los eucariotas , la difusión facilitada se produce en el nucleoplasma en los 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 objetivo, 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 el tiempo de búsqueda de una proteína objetivo. afinidad proteica. [7]
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 oxígeno, y el transportador, que es hemoglobina o 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 estacionario de difusión de oxígeno a diversas presiones. La difusión facilitada por oxígeno ocurre en un ambiente 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 total (más) en un lado de la membrana y una presión reducida total (menos) en el otro lado de la membrana, es decir, un lado de la membrana debe estar de mayor concentración. Durante la difusión facilitada, la hemoglobina aumenta la velocidad de difusión constante de oxígeno y la difusión facilitada se produce cuando la molécula de oxihemoglobina se desplaza aleatoriamente.
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]
Dado que la glucosa es una molécula grande, su difusión a través de la membrana es difícil. [14] Por lo tanto, se difunde a través de las membranas mediante difusión facilitada, a favor del gradiente de concentración . La proteína transportadora en la membrana se une a la glucosa y altera su forma para que pueda transportarse fácilmente. [15] El movimiento de la glucosa hacia el interior de la célula puede ser rápido o lento dependiendo de la cantidad de proteínas que atraviesan la membrana. Se transporta contra el gradiente de concentración mediante un transportador de glucosa dependiente que proporciona una fuerza impulsora a otras moléculas de glucosa en las células. La difusión facilitada ayuda a la liberación de glucosa acumulada en el espacio extracelular adyacente al capilar sanguíneo . [15]