Definição de difusão facilitada
A difusão facilitada é uma forma de transporte facilitado envolvendo o movimento passivo de moléculas ao longo de seu gradiente de concentração, guiado pela presença de outra molécula – geralmente uma proteína de membrana integral que formava um poro ou canal.
A difusão facilitada não envolve diretamente moléculas de alta energia como a adenosina trifosfato (ATP) ou trifosfato de guanosina (GTP), uma vez que as moléculas estão se movendo ao longo de seu gradiente de concentração.
Fatores que afetam a difusão
A força motriz por trás da difusão de fluidos é simplesmente a probabilidade por trás do movimento browniano. Todas as moléculas têm algum grau de movimento irregular e aleatório, em grande parte dependente da temperatura. À medida que a temperatura aumenta, a energia dessas moléculas aumenta.
Quando uma substância é altamente concentrada em uma determinada região, o movimento molecular, especialmente na periferia, levará à disseminação gradual da substância. Quando todas as moléculas da região estão se movendo aleatoriamente, algumas são obrigadas a se mover para fora, para uma região onde sua concentração é baixa. Por outro lado, é menos provável que o movimento molecular aleatório resulte no movimento direcional de uma região de baixa concentração especificamente em regiões de alta concentração.
Por exemplo, quando alguém entra em uma sala usando um perfume forte, as moléculas odoríficas se difundem para fora, da pele ou das roupas. As pessoas na sala percebem algumas dessas moléculas em movimento aleatório quando desencadeiam os receptores sensoriais no nariz. Quando há uma alta densidade de moléculas perfumadas em uma região, há uma chance de que alguns se afastem devido à energia cinética inata dessas moléculas. No entanto, a probabilidade de essas poucas moléculas perdidas se moverá de maneira direcionada, de volta para a manga ou algema da pessoa que usa o perfume é relativamente pequena. O resultado final é uma nuvem de concentração progressivamente decrescente da pessoa que usa o perfume.
Como visto no exemplo, a difusão de uma molécula precisa de um gradiente de concentração. Se todos na sala usarem o mesmo perfume, haveria um efeito mínimo de uma nova pessoa que entra na sala. Além disso, a temperatura aumenta a taxa de difusão. Então, em dias quentes, o perfume se difundia rapidamente pela sala. A difusão também depende do tamanho da própria molécula e da natureza do meio.
No entanto, não depende da concentração de nenhuma outra substância no meio. No exemplo anterior, a barba pós -barba da pessoa ao lado de você não influenciará a taxa de difusão do perfume em relação a você. Embora essa possa ser uma experiência desagradável, a difusão independente é uma propriedade importante das moléculas que permite que as células absorvam nutrientes (difundindo em uma direção), e ao mesmo tempo, expulsando resíduos metabólicos (difundindo para fora na direção oposta).
Difusão facilitada entre membranas
A difusão é onipresente na biosfera. É visto no movimento do ar e da água e é uma força necessária que impulsiona os padrões climáticos globais. Nos sistemas vivos, a presença de membranas baseadas em lipídios cria compartimentos que permitem a concentração seletiva de substâncias solúveis em água. Por exemplo, as membranas mitocondriais podem criar 2 regiões distintas dentro da organela-a matriz interna e o espaço entre membranas. Cada um desses subcompartamentos possui uma composição e função específicas, distintas dos espaços adjacentes. A geração de ordem dessa maneira é uma das características de quase todas as unidades do mundo vivo – de organelas dentro de uma célula a sistemas e organismos orgânicos inteiros.
No entanto, isso significa automaticamente que íons, pequenas moléculas, proteínas e outros solutos têm concentrações diferenciais entre bicamadas lipídicas. Além disso, moléculas polares, carregadas ou hidrofílicas não podem atravessar as membranas biológicas. Embora isso seja útil para manter a integridade de cada compartimento, é igualmente necessário que as moléculas se movam através das membranas, ao longo de seu gradiente de concentração, quando necessário.
Difusão de gases
Um excelente exemplo disso é o movimento de oxigênio e dióxido de carbono em tecidos e células respirantes ativamente. Essas células precisam da entrada de oxigênio e glicose, enquanto o dióxido de carbono precisa ser removido e expulso do corpo. Como cada uma dessas moléculas está passando de regiões de alta concentração em direção a áreas com baixa concentração, não há envolvimento direto de ATP ou outras moléculas de moeda energética. No entanto, eles precisam atravessar várias bicamadas lipídicas – de membranas mitocondriais, até a membrana plasmática da célula e depois as bicamadas lipídicas das células endoteliais que revestem capilares sanguíneos, as membranas plasmáticas dos glóbulos vermelhos e, finalmente Sacos alveolares nos pulmões.
Necessidade de difusão facilitada
As membranas celulares são apenas livremente permeáveis a uma classe muito limitada de moléculas. Eles devem ter tamanho pequeno e não polar. Embora isso permita que moléculas como água, oxigênio e dióxido de carbono se difundam entre as membranas, ele impede praticamente todos os biopolímero, a maioria dos nutrientes e muitas moléculas importantes importantes.
Por exemplo, a glicose é uma molécula relativamente grande que não pode se difundir diretamente através da bicamada lipídica. Da mesma forma, íons importantes como sódio, íons de potássio ou cálcio são carregados e, portanto, repelidos pelo núcleo lipofílico das membranas celulares. Os aminoácidos e os ácidos nucleicos são polares, geralmente carregados e grandes demais para usar difusão simples para entrar e sair das células. Ocasionalmente, mesmo o movimento a granel da água através das membranas não pode ocorrer rapidamente através da bicamada lipídica.
Nessas situações, a difusão facilitada, através de proteínas integrais da membrana, torna -se importante. Essas proteínas transmembranares são geralmente de dois tipos – aqueles que agem como transportadores e aqueles que formam canais na membrana.
Transportadoras e canais
O estudo das proteínas integrais da membrana é sempre difícil, pois são feitas de longos alongamentos hidrofóbicos intercalados com regiões hidrofílicas. Cristalizar essas proteínas para entender que sua estrutura está repleta de dificuldade. No entanto, muitas dessas proteínas foram caracterizadas através de métodos engenhosos e temos algum entendimento de sua atividade.
As proteínas transportadoras envolvidas na difusão facilitada geralmente têm duas conformações. A ligação de uma molécula em um lado da membrana induz uma alteração na estrutura tridimensional da proteína, o que permite a passagem da molécula para o outro lado.
A imagem mostra como uma molécula específica (representada como uma partícula ovóide verde) pode induzir a mudança conformacional relacionada à ligação na proteína transportadora, criando uma passagem para a célula.
As proteínas que formam canais, por outro lado, têm poros minúsculos que permitem seletivamente certas moléculas passarem. Existem vários mecanismos que determinam o ajuste entre uma molécula e suas proteínas de canal – do tamanho, a carga e a capacidade de interagir com as cadeias laterais de aminoácidos que revestem o poro. Algumas proteínas do canal podem mostrar uma preferência de mil vezes por uma molécula em relação a outras substâncias bioquimicamente semelhantes.
A imagem é uma representação de uma molécula de aquaporina – canais de proteínas que permitem o rápido movimento em massa da água.
Exemplos de difusão facilitada
Várias moléculas importantes sofrem difusão facilitada para se mover entre células e organelas subcelulares.
Transportador de glicose
Quando os alimentos são digeridos, há uma alta concentração de glicose no intestino delgado. Isso é transportado pelas membranas das células do canal alimentar, em direção às células endoteliais que revestem capilares sanguíneos. Depois disso, a glicose é transportada por todo o corpo pelo sistema circulatório. Quando o sangue flui através dos tecidos que precisam de energia, a glicose atravessa as membranas celulares endoteliais novamente e entra em células com baixa concentração de glicose. Ocasionalmente, quando os níveis de açúcar no sangue caem, o movimento pode ocorrer no contrário – dos tecidos corporais para a circulação sanguínea. Por exemplo, as células hepáticas podem gerar glicose, mesmo de fontes não carboidratas para manter uma concentração basal de açúcar no sangue e prevenir a hipoglicemia.
O transportador de glicose que facilita esse movimento é uma proteína transportadora que possui duas grandes estruturas conformacionais. Embora a estrutura tridimensional exata não seja conhecida, a ligação da glicose provavelmente causa uma mudança conformacional que faz com que o local de ligação enfrente o interior da célula. Quando a glicose é liberada na célula, o transportador retorna à sua conformação original.
Canais de íons
Os canais de íons foram extensivamente estudados em células excitatórias, como neurônios e fibras musculares, uma vez que o movimento de íons através da membrana é parte integrante de sua função. Essas proteínas do canal formam poros na bicamada lipídica que podem estar em conformação aberta ou fechada, dependendo do potencial elétrico da célula e da ligação de ligantes. Nesse sentido, essas proteínas são chamadas de canais “fechados”.
A presença de bombas de íons na maioria das células garante que a composição iônica do líquido extracelular seja diferente do citosol. O potencial de repouso de qualquer célula é conduzido por esse processo, com um excesso de íons de sódio na região extracelular e um excesso de íons de potássio dentro da célula. O gradiente elétrico e de concentração gerado dessa maneira é usado para a propagação de potenciais de ação ao longo dos neurônios e a contratilidade das células musculares.
Quando ocorre uma pequena alteração na tensão de uma célula, os canais de íons de sódio se abrem e permitem a rápida entrada de íons de sódio na célula. Isso, por sua vez, induz a abertura dos canais de íons de potássio, permitindo que esses íons se movam para fora, demonstrando que a difusão de uma substância pode ocorrer independentemente de outra. Em alguns milissegundos, uma região na membrana celular pode sofrer grandes alterações na tensão -de -75 mV a +30 mV.
A ligação de neurotransmissores como a acetilcolina a receptores nas células musculares altera a permeabilidade dos canais de íons dependentes do ligante. O canal transmembranar é feito de várias subunidades dispostas como um cilindro fechado. A ligação do ligante (acetilcolina) altera a conformação das cadeias laterais hidrofóbicas que bloqueiam a passagem central. Isso leva ao rápido influxo de íons de sódio na célula muscular. A mudança no potencial elétrico da célula resulta ainda mais na abertura dos canais de íons de cálcio, o que leva à contração da fibra muscular.
Aquaporins
Como outras proteínas transmembranares, as aquaporinas não foram totalmente caracterizadas. No entanto, sabe -se que existem muitos canais para a rápida passagem de moléculas de água em quase todas as células. Essas proteínas altamente conservadas estão presentes em bactérias, plantas, fungos e animais. Mutações nas proteínas que formam aquaporinas podem levar a doenças como diabetes insipidus.
Termos de biologia relacionados
- Motivo Browniano – Flutuações aleatórias na velocidade de partículas em um meio de fluido geralmente decorrente de colisões intermoleculares.
- Hipoglicemia – condição caracterizada por baixos níveis de glicose no sangue.
- Proteína da membrana integral – proteínas que são estrutural e funcionalmente parte integrante de uma membrana biológica. Pode atravessar toda a largura da membrana ou ser anexado através de uma pequena região de ligação.
- Pressão parcial – medida hipotética da concentração de um gás em uma mistura de gases.
Questionário
1. Qual dessas declarações sobre difusão facilitada de moléculas é verdadeira? A. não envolve diretamente o ATP B. precisa da presença de outra molécula C. necessária para a difusão de moléculas polares em uma membrana D. todas as opções acima
Resposta à pergunta nº 1
D está correto. Como a difusão ocorre ao longo do gradiente de concentração, não há entrada direta de energia necessária. Quando moléculas polares, carregadas ou grandes precisam ser transportadas através de uma membrana, é necessária outra proteína de membrana, seja necessária uma transportadora ou um canal.
2. Qual desses fatores afeta a taxa de difusão? A. temperatura B. viscosidade do médio C. tamanho das partículas D. todas as opções acima
Resposta à pergunta nº 2
D está correto. A temperatura aumenta a energia cinética das moléculas e, portanto, aumenta a taxa de difusão. A difusão diminui em meios viscosos, uma vez que as moléculas do meio resistem ao movimento das partículas. Moléculas maiores são, em geral, mais lentas para difundir do que as menores.
3. Qual dessas declarações não é verdadeira? A. A glicose sofre a difusão facilitada através de um canal transmembranar B. A água pode se mover através de uma membrana, mesmo na ausência de aquaporinas C. O transportador de íons de potássio tem mil vezes maior afinidade por íons de potássio sobre íons de sódio D. Todos os acima acima
Resposta à pergunta nº 3
A está correto. A glicose é transportada através de uma proteína transportadora transmembranar. A água, como uma molécula pequena e não carregada, pode se difundir entre membranas, mesmo na ausência de aquaporinas. O canal de íons de potássio tem uma sensibilidade notável em relação à sua molécula portadora, provavelmente mediada pela densidade de carga.
Última atualização em 19 de agosto de 2022