النقل الميسر:
التعريف:
انتقال جزيئات المواد عبر غشاء الخلية بواسطة ناقل أو حامل وسيط من بروتينات الغشاء نفسه دون أن تبذل الخلية لنقلها أي طاقة حيث يتم ذلك بحسب منحدر التركيز.
مثال:
انتقال الجلوكوز من الدم إلى خلايا الجسم.
التعريف:
انتقال جزيئات المواد عبر غشاء الخلية بواسطة ناقل أو حامل وسيط من بروتينات الغشاء نفسه دون أن تبذل الخلية لنقلها أي طاقة حيث يتم ذلك بحسب منحدر التركيز.
مثال:
انتقال الجلوكوز من الدم إلى خلايا الجسم.
الانتشار الميسر (المعروف أيضًا باسم النقل الميسر أو النقل السلبي الوسيط) هو عملية النقل التلقائي السلبي (على عكس النقل النشط) للجزيئات أو الأيونات عبر غشاء بيولوجي عبر بروتينات متكاملة عبر الغشاء.
لا يتطلب النقل الميسر السلبي طاقة كيميائية مباشرة من التحلل المائي لـ ATP في خطوة النقل نفسها؛ بدلاً من ذلك، تتحرك الجزيئات والأيونات أسفل تدرج تركيزها مما يعكس طبيعتها المنتشرة.
تنتشر الجزيئات غير القابلة للذوبان من خلال بروتين متكامل.
يختلف الانتشار الميسر عن الانتشار البسيط بعدة طرق:
1- يعتمد النقل على الارتباط الجزيئي بين الشحنة والقناة المضمنة في الغشاء أو البروتين الناقل.
2- يكون معدل الانتشار الميسر قابلًا للإشباع فيما يتعلق بفرق التركيز بين المرحلتين؛ على عكس الانتشار الحر الذي يكون خطيًا في فرق التركيز.
3- يختلف اعتماد درجة الحرارة للنقل الميسر اختلافًا كبيرًا بسبب وجود حدث ربط نشط، مقارنة بالانتشار الحر حيث يكون الاعتماد على درجة الحرارة خفيفًا.
لا يمكن للجزيئات القطبية والأيونات الكبيرة الذائبة في الماء أن تنتشر بحرية عبر غشاء البلازما بسبب طبيعة الكارهة للماء لذيول الأحماض الدهنية لـ فوسفوليبيدات التي تشكل طبقة الدهون الثنائية.
يمكن للجزيئات الصغيرة غير القطبية فقط، مثل الأكسجين و ثاني أكسيد الكربون، أن تنتشر بسهولة عبر الغشاء.
وبالتالي، يتم نقل الجزيئات الصغيرة غير القطبية بواسطة البروتينات في شكل قنوات عبر الغشاء.
هذه القنوات لها بوابات، مما يعني أنها تفتح وتغلق، وبالتالي تحرر تدفق الأيونات أو الجزيئات القطبية الصغيرة عبر أغشية، وأحيانًا ضد التدرج الاسموزي.
يتم نقل الجزيئات الأكبر عبر البروتينات الحاملة عبر الغشاء، مثل permeases، والتي تغير شكلها حيث يتم نقل الجزيئات عبر (على سبيل المثال الجلوكوز أو الأحماض الأمينية).
الجزيئات غير القطبية، مثل الريتينول أو الدهون، ضعيفة الذوبان في الماء.
يتم نقلها من خلال الأجزاء المائية للخلايا أو من خلال الفضاء خارج الخلية بواسطة ناقلات قابلة للذوبان في الماء (على سبيل المثال بروتين ربط الريتينول).
لا يتم تغيير المستقلبات لأنه لا توجد طاقة مطلوبة للانتشار الميسر.
يسمح فقط بتغيير شكله من أجل نقل المستقلبات.
يسمى شكل النقل عبر غشاء الخلية الذي يتم فيه تعديل المستقلب بالنقل انتقال المجموعة النقل.
الجلوكوز وأيونات الصوديوم وأيونات الكلوريد هي مجرد أمثلة قليلة للجزيئات والأيونات التي يجب أن تعبر غشاء البلازما بكفاءة ولكن تكون طبقة الدهون ثنائية الغشاء غير منفذة لها فعليًا.
لذلك يجب "تسهيل" نقلها بواسطة البروتينات التي تمتد عبر الغشاء وتوفر طريقًا بديلًا أو آلية الالتفافية.
بعض الأمثلة على البروتينات التي تتوسط في هذه العملية هي ناقلات الجلوكوز، بروتينات نقل الكاتيون العضوي، ناقل اليوريا، ناقل أحادي الكربوكسيل 8 و ناقل أحادي الكربوكسيل 10.
قام المهندسون بمحاولات مختلفة لتقليد عملية النقل الميسر في الأغشية الاصطناعية (أي غير البيولوجية) لاستخدامها في عمليات فصل الغاز والسائل على نطاق صناعي، ولكنها حققت نجاحًا محدودًا في التاريخ، في أغلب الأحيان لأسباب تتعلق بضعف استقرار الناقل و / أو تفكك الناقل عن النقل السلبي.
في نموذج الجسم الحي للانتشار الميسر:
في الكائنات الحية، يتم تنظيم العمليات الفيزيائية والكيميائية الحيوية الرئيسية المطلوبة للبقاء من خلال الانتشار.
الانتشار الميسر هو أحد أشكال الانتشار وهو مهم في العديد من عمليات التمثيل الغذائي للخلايا الحية.
يتمثل أحد الأدوار الحيوية للانتشار الميسر في أنه الآلية الرئيسية وراء ارتباط عوامل النسخ (TFs) بالمواقع المستهدفة المحددة على جزيء DNA .
يشرح النموذج المختبر، وهو طريقة معروفة جدًا للانتشار الميسر، يحدث خارج خلية حية، النمط ثلاثي الأبعاد للانتشار في العصارة الخلوية و انتشار أحادي الأبعاد على طول محيط الحمض النووي.
بعد إجراء بحث مكثف حول العمليات التي تحدث خارج الخلية، تم قبول هذه الآلية بشكل عام ولكن كانت هناك حاجة للتحقق من أن هذه الآلية يمكن أن تحدث في الجسم الحي أو داخل الخلايا الحية.
لذلك أجرى باور وميتزلر (2013) تجربة باستخدام جينوم بكتيري حيث قاموا بدراسة متوسط الوقت اللازم لحدوث ارتباط TF-DNA.
بعد تحليل العملية للوقت الذي يستغرقه انتشار TF عبر المحيط والسيتوبلازم للحمض النووي للبكتيريا، تم التوصل إلى أنه في المختبر وفي الجسم الحي متشابهة في أن معدلات الارتباط والتفكك لـ TF من وإلى الحمض النووي متشابهة معا.
أيضًا، على كفاف الحمض النووي ، تكون الحركة أبطأ ويسهل تحديد المواقع المستهدفة بينما في السيتوبلازم، تكون الحركة أسرع ولكن TF ليست حساسة لأهدافها وبالتالي يكون الارتباط مقيدًا.
الانتشار الميسر داخل الخلايا:
التصوير أحادي الجزيء هو تقنية تصوير توفر دقة مثالية ضرورية لدراسة آلية ربط عامل النسخ في الخلايا الحية.
في خلايا بدائية النواة بكتيريا مثل E. coli، يكون الانتشار الميسر مطلوبًا حتى تتمكن البروتينات التنظيمية من تحديد المواقع المستهدفة والارتباط بها على أزواج قواعد الحمض النووي.
هناك خطوتان رئيسيتان متضمنتان: يرتبط البروتين بموقع غير محدد على الحمض النووي ثم ينتشر على طول سلسلة الحمض النووي حتى يحدد موقع الهدف، وهي عملية يشار إليها باسم الانزلاق.
وفقًا لبراكلي وآخرون. (2013)، أثناء عملية انزلاق البروتين، يبحث البروتين في كامل طول سلسلة الحمض النووي باستخدام أنماط الانتشار ثلاثية الأبعاد وأحادية الأبعاد.
أثناء الانتشار ثلاثي الأبعاد، تخلق نسبة عالية من بروتينات Crowder ضغطًا تناضحيًا يجعل بروتينات الباحث (مثل Lac Repressor) أقرب إلى الحمض النووي لزيادة جاذبيتها وتمكينها من الارتباط، بالإضافة إلى تأثير ستيري التي تستبعد بروتينات Crowder من هذه المنطقة (منطقة مشغل Lac).
تشارك بروتينات الحاجز في انتشار 1-D فقط، أي ترتبط وتنتشر على طول محيط الحمض النووي وليس في العصارة الخلوية.
الانتشار الميسر للبروتينات على الكروماتين:
يوضح النموذج الموجود في الجسم الحي المذكور أعلاه بوضوح الانتشار ثلاثي الأبعاد وأحادي الأبعاد على طول حبلا DNA وربط البروتينات بالمواقع المستهدفة على السلسلة.
تمامًا مثل الخلايا بدائية النواة، في حقيقيات النوى، يحدث الانتشار الميسر في nucleoplasm على خيوط الكروماتين، والتي يتم تفسيرها من خلال ديناميات التحويل للبروتين عندما يكون مرتبطًا إلى خيط كروماتين أو عند الانتشار بحرية في النيوكليوبلازم.
بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأن جزيء الكروماتين مجزأ، يجب مراعاة خصائصه الكسورية.
بعد حساب وقت البحث عن بروتين مستهدف، بالتناوب بين مرحلتي الانتشار ثلاثي الأبعاد و 1-د على بنية كسورية الكروماتين، استنتج أن الانتشار السهل في حقيقيات النوى يعجل عملية البحث ويقلل من وقت البحث عن طريق زيادة الحمض النووي- تقارب البروتين.
بالنسبة للأكسجين:
يرتبط الأكسجين بخلايا الدم الحمراء في مجرى الدم. تقارب الأكسجين مع الهيموجلوبين على أسطح خلايا الدم الحمراء يعزز قدرة الترابط هذه.
في نظام الانتشار السهل للأكسجين، هناك علاقة وثيقة بين ligand وهو الأكسجين والناقل الذي يكون إما هيموجلوبين أو ميوغلوبين.
تم اكتشاف آلية الانتشار الميسر للأكسجين بواسطة الهيموغلوبين أو الميوغلوبين وبدأت من قبل Wittenberg و Scholander.
لقد أجروا تجارب لاختبار الحالة المستقرة لـ انتشار للأكسجين عند ضغوط مختلفة.
يحدث الانتشار المسهل بالأكسجين في بيئة متجانسة حيث يمكن التحكم في ضغط الأكسجين نسبيًا.
لكي يحدث انتشار الأكسجين، يجب أن يكون هناك ضغط تشبع كامل (أكثر) على جانب واحد من الغشاء وضغط كامل منخفض (أقل) على الجانب الآخر من الغشاء، أي يجب أن يكون جانب واحد من الغشاء ذات تركيز أعلى.
أثناء الانتشار الميسر، يزيد الهيموغلوبين من معدل الانتشار المستمر للأكسجين ويحدث الانتشار الميسر عندما يتم إزاحة جزيء أوكسي هيموغلوبين عشوائيًا.
بالنسبة لأول أكسيد الكربون:
يحتوي أول أكسيد الكربون على عملية انتشار سهلة مماثلة لتلك الخاصة بالأكسجين.
كلاهما يستفيد من التقارب العالي للهيموجلوبين والميوغلوبين للغاز.
يتحد أول أكسيد الكربون أيضًا مع الهيموجلوبين والميوغلوبين بمساعدة الانتشار الميسر تمامًا كما هو الحال في الأكسجين ولكن معدل تفاعلهما يختلف عن بعضهما البعض.
أول أكسيد الكربون له سرعة تفكك سرعة وهي 100 مرة أقل من الأكسجين؛ إن تقاربها مع الميوغلوبين أعلى 40 مرة و 250 مرة أعلى للهيموجلوبين ، مقارنة بالأكسجين.
بالنسبة للجلوكوز:
الجلوكوز هو سكر مكون من ستة كربون يوفر الطاقة التي تحتاجها الخلايا.
نظرًا لأن الجلوكوز جزيء كبير، فمن الصعب نقله عبر الغشاء من خلال الانتشار البسيط.
ومن ثم، فإنه ينتشر عبر الأغشية من خلال الانتشار الميسر، أسفل تدرج التركيز.
يرتبط البروتين الحامل الموجود في الغشاء بالجلوكوز ويغير شكله بحيث يمكن نقله بسهولة من جانب واحد من الغشاء إلى الجانب الآخر.
يمكن أن تكون حركة الجلوكوز في الخلية سريعة أو بطيئة اعتمادًا على عدد البروتين الممتد عبر الغشاء.
يتم نقله عكس التدرج التركيزي بواسطة الجلوكوز المعتمد symporter والذي يوفر قوة دافعة لجزيئات الجلوكوز الأخرى في الخلايا.
يساعد الانتشار الميسر في إطلاق الجلوكوز المتراكم في الفراغ خارج الخلية المتاخم لـ الشعيرات الدموية.
