Difúze v buňce: 11 jednoduchých faktů (co, jak, kdy, kde, dopad)

Difúze v buňce je pasivní transport rozpuštěné látky po jejím koncentračním gradientu. V biologii existuje koncentrační gradient přes semipermeabilní plazmatickou membránu, takže koncentrace rozpuštěných látek je na jedné straně membrány vyšší než na druhé straně.

Hnací silou pro pohyb rozpuštěných látek během difúze je rozdíl v jejich koncentraci přes membránu, která tvoří gradient koncentrace. Řídí pohyb rozpuštěné látky dolů po gradientu, dokud se čistý tok rozpuštěných látek přes membránu nevyrovná.

Co je to difúze v buňce?

Difúze v buňce je proces, při kterém se rozpuštěné látky z oblasti s vysokou koncentrací pohybují směrem k oblasti s nízkou koncentrací, dokud není dosaženo rovnováhy, aniž by na ni utrácely energii nebo ATP. Rozpuštěné látky se pohybují plazmatickou membránou buď jednoduchou difúzí, nebo usnadněnou difúzí, po koncentračním gradientu.

Co dělá difúze s buňkou?

Difúze umožňuje různým typům molekul vstupovat a existovat do buněk přes jejich plazmatickou membránu podle potřeb buněk nebo metabolických a regulačních reakcí probíhajících uvnitř buněčné matrice.

  • Plyny: Plyny, jako je kyslík, oxid uhličitý a oxid uhelnatý, mohou procházet plazmatickou membránou jednoduchou difúzí.
  • Polární a nabité molekuly: Polární a nabité molekuly, jako jsou ionty, sacharidy, aminokyseliny, nukleosidy, mohou procházet plazmatickou membránou pouze prostřednictvím usnadňujících proteinů přítomných v plazmatické membráně.
  • Nepolární a nenabité molekuly: Malé, nepolární a nenabité molekuly spolu s některými hydrofobními organickými molekulami mohou procházet plazmatickou membránou jednoduchou difúzí.

Ovlivňuje difúze buňky?

Difúze ovlivňuje buňku různými způsoby. Může ovlivnit koncentraci rozpuštěných látek v buněčné matrici, změnit objem a velikost buňky, pokud projde osmózou, a způsobit konformační změny v membránových proteinech buňky.

Jak difúze ovlivňuje buňky?

Difúze může ovlivnit velikost buňky, pokud buňka podstoupí speciální typ difúze nazývaný osmóza. Při osmóze prochází plazmatickou membránou voda, která je polárním rozpouštědlem, místo rozpuštěných látek rozpuštěných ve vodě. Jako výsledek, absorpce a uvolňování těchto molekul vody v reakci na různou koncentraci rozpuštěné látky přes membránu vede ke zvýšení a snížení objemu a velikosti buněk.

Jak difúze ovlivňuje velikost buněk?

Osmóza, která je zvláštním typem difúze v buňce, ovlivňuje objem buňky v závislosti na typu roztoku, ve kterém je buňka umístěna nebo je jím obklopena, v důsledku výměny rozpuštěné látky a rozpouštědel, která probíhá až do dosažení rovnováhy. Pak je jeho účinek u živočišných a rostlinných buněk mírně odlišný. Tyto efekty jsou reverzibilní povahy a buňky se mohou vrátit do svých původních rozměrů během několika minut vytvořením rovnováhy mezi koncentrací rozpuštěné látky uvnitř i vně buňky.

Když jsou dva roztoky různé koncentrace rozpuštěné látky odděleny semipermeabilní membránou, molekuly vody v hypertonickém nebo hyperosmotickém roztoku se pohybují přes semipermeabilní membránu směrem k hypotonickému nebo hypoosmotickému roztoku. Hypertonický roztoky mají srovnatelně vyšší koncentraci rozpuštěné látky ve srovnání s koncentrací buňky, zatímco hypotonický roztoky mají srovnatelně nižší koncentraci rozpuštěné látky než buňka. izotonické nebo izoosmotické roztoky, na druhé straně mají stejnou koncentraci rozpuštěné látky jako buňka.

OSC Microbio 03 03 Tonicita
Kredit: Wikimedia Commons. Tonicita v živočišné buňce.

Při umístění do roztoku, který je hypotonický ve srovnání s koncentrací intracelulární rozpuštěné látky, má buňka tendenci získávat vodu endosmózou. Živočišné buňky mohou nasávat vodu a zvětšovat svůj objem, dokud nepraskne zatímco, v rostlinné buňce pomáhá buněčná stěna udržovat konstantní objem. Buňky se obvykle vracejí do rovnovážného stavu snížením svého vnitřního tlaku, kterého je dosaženo ztrátou rozpuštěných látek. Plazmolyzovanou buňku lze vrátit do původního objemu také vložením do hypotonického roztoku.

OSC Microbio 03 03 Plazmolýza
Kredit: Wikimedia Commons. Tonicita v rostlinné buňce.

Při umístění do hypertonického roztoku buňka má tendenci ztratit veškerou vodu do okolního roztoku procesem exosmóza protože intracelulární koncentrace rozpuštěné látky je ve srovnání s tím hypotonická. Živočišné buňky se zmenšují v důsledku ztráty vody a zmenšují se objem buněks vzhledem k tomu, rostlinné buňky zůstávají neporušené díky přítomnosti buněčné stěny ale její buněčná membrána se odděluje od buněčné stěny a matrice se zmenšuje. Rostlinná buňka, ve které buněčná matrice je značně redukována, se nazývá a plazmolyzovaná buňka.

Kde v buňce dochází k difúzi?

K difúzi v buňce dochází na plazmatické membráně buňky, kde rozpuštěné látky nebo rozpouštědlo (jako v případě osmózy) mohou difundovat dovnitř a ven z buňky různými metodami. Soluty mohou podléhat jednoduché difúzi nebo facilitované difúzi. Při jednoduché difúzi mohou malé nenabité molekuly, voda a plyny procházet lipidovou dvojvrstvou bez pomoci jakýchkoli nosných proteinů. Takže k jednoduché difúzi může dojít téměř kdekoli v plazmatické membráně buněk.

Usnadněná difúze se provádí pomocí nosných proteinů nebo proteinových kanálů, což jsou specializované integrální membránové proteiny. Tyto membránové proteiny jsou vysoce selektivní a reagují pouze na vybrané molekuly kterým je dovoleno jimi projít, zatímco na ostatní nereagují a nedovolují jim projít. Tím pádem, usnadněná difúze dané rozpuštěné látky může nastat pouze na specifických místech na plazmatické membráně buňky, kde jsou přítomny integrální membránové proteiny, které jsou specifické pro danou rozpuštěnou látku.

Kdy dochází k difúzi v buňce?

K difúzi v buňce dochází přes plazmatickou membránu buď k příjmu rozpuštěných látek, které jsou přítomny vně a jsou potřebné pro různé funkce uvnitř buňky, nebo k uvolnění přebytečných rozpuštěných látek ven z buňky, protože již nejsou potřeba uvnitř buňky nebo jsou potřeba mimo ni. buňka.

Tak jako, k difúzi v buňce dochází po koncentračním gradientusoluty mohou procházet lipidovou dvojvrstvou pouze tehdy, pokud je jejich koncentrace na jedné straně membrány vyšší než na druhé straně. Když jsou takové rozdíly v koncentračním gradientu vytvořeny nebo přítomny, rozpuštěné látky procházejí plazmatickou membránou ze strany vyšší koncentrace rozpuštěné látky na stranu s nižší koncentrací rozpuštěné látky. K výměně rozpuštěné látky dochází, dokud se koncentrace na obou stranách nerovná.

Jak probíhá difúze v buňce?

Difúze různých rozpuštěných látek v buňce závisí na jejich velikosti, náboji, polaritě, permeabilitě, hydrofobnosti a hydrofilnosti. Proto každý typ rozpuštěné látky sleduje jinou metodu a v případě usnadnění přepravy se přepravuje pomocí různých usnadňujících transportérů. Jsou zde uvedeny podrobnosti o difúzi některých rozpuštěných látek v buňce, jako je voda, lipidy, ionty a nabité molekuly.

voda

  • Statistické póry: Voda, která má relativně menší velikost, je schopna snadno procházet lipidovou dvojvrstvou prostřednictvím statistických pórů, které jsou nestatické konstrukce. Tyto póry s a průměr cca 4.2A se tvoří, když se sousední fosfolipidové molekuly v buněčné membráně pohybují laterálně, ale v opačných směrech.
  • Kinks: Kinks jsou mobilní strukturální defekty v acylových řetězcích fosfolipidů, které jsou způsobeny táním acylového řetězce. Tyto zlomy mohou umožnit průchod vody skrz ně.
  • Aquaporiny: Aquaporiny jsou a člen hlavní rodiny vnitřních proteinů které umožňují usnadněnou difúzi vody dovnitř a ven z buňky. V rostlinách jsou aquaporiny přítomny jak v buněčné membráně, tak v membráně vakuoly, které se nazývají vnitřní protein plazmatické membrány a vnitřní protein tonoplastu. Ty jsou častější v buňkách, které jsou silně investovány do transportu vody, jako jsou buňky ledvinové tubuly u zvířat a buňky kořeny v rostlinách.
difúze v buňce
Kredit: Wikimedia Commons. Aquaporiny.

Lipidy

Molekuly lipidů mohou usnadnity difundují dovnitř a ven z buňky kvůli jejich hydrofobní povaze. Permeabilita lipidů je přímo úměrná jejich rozpustnosti. Rychlejší penetrace znamená, že rozpuštěná látka má vyšší rozpustnost v lipidech.

  • Lipidy berou a srovnatelně delší doba k difuzi ven přes lipidovou dvojvrstvu protože cytoskelet na bázi aktinu přítomný na cytoplazmatickém povrchu buněčné membrány způsobuje, že tvoří kompartmenty.
  • Stérická zábrana a vysoké obvodové zpomalení kolem transmembránové proteiny které jsou ukotveny k síti aktinového cytoskeletu, vede ke dočasné omezení fosfolipidů přítomný v buněčné membráně.
  • Obvodové zpomalení je způsobeno velkým množstvím hydrodynamického tření k tomu dochází, když se v blízkosti transmembránových proteinů nahromadí velké množství fosfolipidů.
  • Tyto kompartmenty zprostředkovávají lokalizaci intracelulární odpovědi v oblastech, kde došlo k příjmu extracelulárního signálu.

Ionty a nabité molekuly

Lipidová dvojvrstva je vysoce nepropustná pro nabité částice nebo dokonce malé ionty, jako jsou H+, HCO3-, Na+, K+, Ca2+ a Cl-. Vzhledem k tomu, že tyto ionty jsou kritické pro buněčné aktivity několika druhů, včetně příjmu a vedení nervových impulsů u zvířat, otevírání pórů průduchů u rostlin, svalových kontrakcí u zvířat, regulují transport dalších velkých proteinů. dovnitř a ven z buněčné membrány v obou rostlinách a zvířata.

Difúzi iontů dovnitř a ven z buněk usnadňují některé integrální membránové proteinové kanály, které jsou selektivní a umožňují průchod pouze určitým typům iontů. Iontové kanály mohou umožnit příliv nebo odliv iontů v milionech za sekundu, bez jakýchkoli nákladů na energii.

  • Napěťově řízené iontové kanály: Membránový kanál proteiny, které působí pod vlivem náboje rozdíl přes lipidovou dvojvrstvu, se nazývají napěťově řízené iontové kanály. Rozdíl v náboji mezi intracelulární a extracelulární matricí zprostředkovává otevírání a uzavírání těchto iontových kanálů. Neuron a svalové buňky mají takové iontové kanály, které pomáhají při vedení impulsů a pohybu svalů.
  • Ligandové iontové kanály: Tyto iontové kanály procházejí konformačními změnami, když ligandy se na ně vážou na vnějším nebo vnitřním/cytosolovém povrchu plazmatické membrány, což v tomto případě umožňuje průchod rozpuštěných látek nebo iontů přes membránu. Zde je třeba poznamenat, že a ligand není ani rozpuštěná látka, ani se přes membránu nepřenáší, místo toho je součástí signalizačního systému. Když se acetylcholin, neurotransmiter, váže na vnější povrch kanálů, aby usnadnil vodivost nervových impulsů na synapsích. Zatímco cAMP se váže na vnitřní povrch některých vápníkových iontových kanálů.
  • Mechanicky hradlované iontové kanály: Takové kanály mění svou konformaci v reakci na mechanické síly. Vláskové buňky ve vnitřním uchu otevírají iontové kanály ohýbáním v reakci na zvukové vlny. Transportované ionty se pak podílejí na vzniku nervového vzruchu.
Napěťově řízené kanály
Kredit: Wikimedia Commons. Napěťově řízené kanály.
1216 kanálů s ligandovou bránou
Kredit: Wikimedia Commons. Ligandové hradlové kanály.
1217 Mechanicky hradlované kanály 02
Kredit: Wikimedia Commons. Mechanické hradlové kanály.

Typ difúze v buňce

Difúze nebo pasivní difúze rozpuštěných látek přes semipermeabilní membránu lze široce klasifikovat na dva typy v závislosti na potřebě proteinových kanálů pro transport.

Jednoduchá pasivní difúze

Rozpuštěná látka difunduje přes lipidovou dvojvrstvu jednoduše difúzí dovnitř a ven z buňky. Molekuly, které mohou procházet buněčnou membránou jednoduchou pasivní difúzí, jsou plyny, voda a malé nenabité soluty. Proces prosté pasivní difúze vyžaduje energii k protnutí dvouvrstvou membránou, ale ne ve formě ATP. Energie pro průchod membránou pochází z hydratační vody, což je počet hydroxylových (-OH) skupin připojených k molekule rozpuštěné látky. Proces probíhá ve třech krocích –

  1. Rozpuštěná látka ztrácí hydratační vody.
  2. Dehydratovaná látka prochází fosfolipidovou dvojvrstvou.
  3. Znovu získává hydratační vodu na druhé straně buněčné membrány.
0305 Jednoduchá difúze přes plazmovou membránu
Kredit: Wikimedia Commons. Jednoduchá difúze přes plazmatickou membránu.

Aktivační energie pro difúzi přes lipidovou dvojvrstvu je přímo úměrná hydratační vodě přítomné na rozpuštěné látce. Jedinou výjimkou z tohoto vztahu je voda, protože má extrémně vysokou propustnost.

Usnadněná pasivní difúze

Rozpuštěná látka difunduje dovnitř a ven z lipidových dvojvrstev na konkrétních místech pomocí integrálních membránových proteinů specifických pro rozpuštěnou látku, které se také nazývají facilitativní transportéry. Existují dva typy proteinů, které se podílejí na usnadněné difúzi, nosné proteiny a kanálové proteiny.

Když se solut naváže na nosné proteiny na jedné straně, způsobí v nich konformační změnu. Tato změněná konformace proteinu usnadňuje pohyb částic rozpuštěné látky skrz něj a přes lipidovou dvojvrstvu v obou směrech, z oblasti vysoké koncentrace rozpuštěné látky do oblasti s nižší koncentrací solutu, dokud není dosaženo rovnováhy. Jedna na druhou stranu, kanálový proteinumožňují volnou difúzi jakékoli molekuly, která má vhodnou velikost a může se vejít do póru, který prochází skrz kanálový protein.

0306 Nosný protein pro usnadnění difúze
Kredit: Wikimedia Commons. Usnadněná pasivní difúze.

Difúze v buněčném metabolismu

Difúze v buňce hraje zásadní roli v buněčném metabolismu, protože má schopnost regulovat metabolické reakce, ke kterým v buňce dochází, ale difúze může být ovlivněna také několika faktory.

  • Koncentrační gradient: Rozsah transportu rozpuštěné látky je závislý na rozdílu mezi koncentrací rozpuštěné látky na obou stranách membrány. Čím větší je rozdíl, tím vyšší a rychlejší bude rychlost difúze rozpuštěných látek přes membránu.
  • Velikost a hmotnost rozpuštěné látky: Rychlost difúze je nepřímo úměrná velikosti molekul. Soluty s větší velikostí nebo vyšší hmotností potřebují delší dobu, než difundují přes lipidovou dvojvrstvu.
  • Velikost buňky: Velikost buňky nebo průměr buňky je také nepřímo úměrný rychlosti difúze. Buňka, která má menší velikost, bude mít rychlejší rychlost difúze, protože vzdálenost, kterou je třeba překonat, je menší, zatímco v buňce s větším průměrem bude vzdálenost, kterou urazí rozpuštěná látka, větší, a tak se rychlost difúze zpomalí.
  • Interakce s jinými molekulami: Pokud rozpuštěné látky menší velikosti interagují s většími proteiny, rychlost jejich difúze se výrazně sníží ve srovnání s tím, kdy nebyly zapojeny do žádné takové interakce. To se děje proto, že menší soluty nyní nemohou tak volně difundovat, protože jejich interakce s většími molekulami brání jejich volnému pohybu.
  • Teplota: Teplota je přímo úměrná pohybu rozpuštěné látky v roztoku a je tedy také přímo úměrná rychlosti difúze. Když má roztok vysokou teplotu, jeho rozpuštěné látky získávají spoustu energie a jejich náhodný pohyb je velmi rychlý. Výsledkem je, že takové molekuly také rychleji difundují.

Role difúze v buněčném metabolismu

  • Glukóza podléhá usnadnění difúze, je-li její koncentrace v krvi vyšší než v buňkách kosterních svalů a tukových tkání, pomocí proteinových transportérů GLUT. Z mnoha proteinů v rodině GLUT je GLUT4 aktivován inzulínem. Když se inzulín váže na transportní protein GLUT4, umožňuje to usnadněnou difúzi velmi vysokou rychlostí v tkáních citlivých na inzulín. Inzulin tedy udržuje hladinu glukózy v krvi na normální úrovni.
  • Vzhledem k tomu, že glukóza hraje zásadní roli v buněčném metabolismu, je vyžadována ve velkém množství uvnitř buněčné matrice, ale koncentrační gradient může zabránit přílivu glukózy do buňky, když je dosaženo rovnováhy. Aby se zabránilo koncentračnímu gradientu v dosažení rovnováhy, molekuly glukózy podléhají fosforylaci, když vstoupí přes buněčnou membránu. Fosforylace snižuje intracelulární koncentraci glukózy a umožňuje stálý přísun glukózy do buňky.
  • Neurony si udržují stav polarizace nebo klidový membránový potenciál tím, že mají přebytek sodných iontů vně buněčné membrány a přebytek draselných iontů uvnitř. Když nerv přijme podnět, otevřou se kanálky řízené ionty sodíku a draslíku, aby umožnily jednomu iontu sodíku vstoupit do buňky a dvěma iontům draslíku opustit buňku. To vede k depolarizaci membrány a posunu akčního potenciálu podél membrány k přenosu nervového vzruchu.
  • Hemoglobin přítomný v krvi se obvykle váže s kyslíkem na některých konkrétních místech a podléhá usnadnění difúze. Kromě toho se kyslík vyměňuje také jednoduchou difúzí. Oxid uhličitý a oxid uhelnatý se také vyměňují mezi alveoly a krevními kapilárami difúzí podobným způsobem.

Role difúze v buňce

  • Proteiny GLUT4: Vazba inzulínového hormonu na transportní proteiny GLUT4 vede k přílivu nadbytečných molekul glukózy do buněk prostřednictvím usnadněné difúze.
  • Sekundární poslové signalizace: Sekundární poslové jsou obvykle malé molekuly nebo ionty, které se účastní přenosu signálů z receptorů přítomných na plazmatické membráně do několika dalších intracelulárních proteinů a spouštějí signální kaskádu. K přílivu sekundárních poslů do buněčné matrice dochází prostřednictvím usnadněné difúze.
  • Osmóza jako speciální typ difúze: osmóza je důležitá v buňkách zvířat i rostlin. Tyto buňky se podílejí na vstřebávání vody, jako je absorpce vody z půdy kořenovými vlásky, reabsorpce vody proximálními a distálními stočenými tubuly přítomnými v ledvinách zvířat, reabsorpce tkáňového moku do krevních kapilár a absorpce vody v trávicí trakt zvířat.
  • Filtrace krve: Ledviny u zvířat se podílejí na odstraňování odpadních produktů procesem jednoduché i usnadněné difúze.
  • Dýchání: Difúze v buňkách také umožňuje výměnu plynů mezi alveoly plic a kapilárami krve, aby se umožnilo dýchání.. Výměna plynů u vodních živočichů probíhá také podobným mechanismem. Jelikož jsou vyměňované plyny nenabité, podléhají jednoduché difúzi.
  • Absorpce potravy: Potraviny, které se tráví v trávicím traktu, obsahují určité množství živin rozpustných v tucích, jako je vitamin A, D, R a K, které mohou snadno procházet buňkami přítomnými v klcích, do krevních cév. jednoduché difúze.

Difúze v buněčném transportu

Difúze v buňce je primárně zodpovědná za buněčný transport kyslík, oxid uhličitý, glukóza, aminokyseliny a tuky.

  • Filtrace krve: U zvířat buňky ledvin jsou zodpovědné za odstraňování odpadních látek jako je močovina, kreatinin a další tekutiny z krve procesem difúze. Stejný princip difúze je aplikován během dialýza krve pacientů s poruchou funkce ledvin.
  • Dýchání: Hemoglobin přítomný v krvi se obvykle na určitých místech váže s kyslíkem a podléhá usnadněná difúze. Kromě toho, kyslík se také vyměňuje jednoduchou difúzí. Oxid uhličitý a oxid uhelnatý se také vyměňují mezi alveoly a krevními kapilárami difúzí podobným způsobem.
  • Difúze v rostlinách: Difúze je zodpovědná za přežití rostlin, jak to umožňují buňky kořenů absorbovat vodu z okolní půdy. Rostliny vyžadují obrovské množství vody, aby se udržely ztuhlost jak na buněčné, tak na orgánové úrovni. Při ztrátě přebytečné vody, ke které opět dochází také difúzí, rostliny vadnou a mohou uschnout, pokud není ztráta vody nahrazena.

Difúze v buněčné membráně

K difúzi v buňce dochází na rozhraní buněčného povrchu, které interaguje jak s extracelulární matricí, tak s buněčnou matricí. Ve směru koncentračního gradientu se rozpuštěné látky z oblasti s vysokou koncentrací pohybují směrem k oblasti s nízkou koncentrací. Soluty mohou procházet plazmatickou membránou buď jednoduchou difúzí, nebo usnadněnou difúzí, na které se podílejí nosné proteiny a proteinový kanál. Typ difúze rozpuštěné látky závisí na její velikosti, hmotnosti, náboji, polaritě, hydrofilnosti nebo hydrofobicitě a teplotě.

Usnadněná difúze v buňce

Usnadněná difúze je a druh pasivní difúze, ve které se pohyb solutu, konkrétně polárních solutů, probíhá pomocí vysoce specifických membránových proteinů, které se také nazývají facilitativní transportéry. Vazba solutu na povrch těchto integrálních proteinových kanálů vede ke změně jejich konformace, což umožňuje rozpuštěné látce procházet jimi a přes lipidovou dvojvrstvu, po koncentračním gradientu. Rozdíl v koncentraci rozpuštěných látek na dvou stranách plazmatické membrány rozhoduje o směru čistého toku.

Usnadněné transportéry se mohou nasytit, pokud příliv nebo odliv rozpuštěných látek překročí maximální kapacitu. Každou sekundu mohou umožnit průchod několika stovkám až tisícům rozpuštěných látek.

Proč investovat do čističky vzduchu?

Difúze hraje zásadní roli v buněčném metabolismu a buněčné signalizaci buď jednoduchou nebo usnadněnou difúzí nebo osmózou. Pochopení mechanismu difúze na každém rozhraní nám může poskytnout skvělý pohled na to, jak buňka dokončuje své aktivity.

Také čtení: