促進拡散

促進拡散（促進輸送または受動輸送とも呼ばれる）は、特定の膜貫通タンパク質を介して生体膜を横切る分子またはイオンの自発的な受動輸送（能動輸送とは対照的）のプロセスです。^{[1]促進輸送は受動的であるため、輸送ステップ自体で}ATP加水分解からの化学エネルギーを直接必要としません。むしろ、分子とイオンは拡散の原理に従って濃度勾配に沿って移動します。

促進拡散は単純拡散とはいくつかの点で異なります。

1. 輸送は、貨物と膜に埋め込まれたチャネルまたはキャリアタンパク質との間の分子結合に依存します。
2. 促進拡散の速度は、濃度差に対して線形である自由拡散とは異なり、2 つの相間の濃度差に関して飽和します。
3. 促進輸送の温度依存性は、活性化結合イベントの存在により、温度依存性が緩やかな自由拡散と比較して大幅に異なります。^[2]

水に溶解した極性分子や大きなイオンは、脂質二重層を構成するリン脂質の脂肪酸末端の疎水性のため、細胞膜を自由に拡散することができない。酸素や二酸化炭素などの小さな非極性分子だけが、膜を容易に透過して拡散することができる。したがって、小さな極性分子は、膜貫通チャネルの形でタンパク質によって輸送される。これらのチャネルは開閉するゲート式であり、これにより、膜を介したイオンまたは小さな極性分子の流れが、浸透圧勾配に逆らって調節解除されることがある。より大きな分子は、分子が透過されるにつれて構造を変える膜貫通キャリアタンパク質（例えば、パーミアーゼ）によって輸送される（例えば、グルコースまたはアミノ酸）。レチノールや脂質などの非極性分子は、水に溶けにくい。これらは、水溶性キャリア（例えば、レチノール結合タンパク質）によって、細胞の水性区画または細胞外空間を介して輸送される。促進拡散にはエネルギーが必要ないため、代謝物は変化しません。代謝物を輸送するためには、透過酵素のみが形状を変えます。代謝物が変化する細胞膜を介した輸送形態は、グループ転座輸送と呼ばれます。

グルコース、ナトリウムイオン、塩化物イオンは、細胞膜を効率的に通過しなければならない分子やイオンのほんの一例ですが、膜の脂質二重層はこれらの分子やイオンに対して実質的に不浸透性です。したがって、これらの輸送は、膜を貫通して代替経路またはバイパス機構を提供するタンパク質によって「促進」される必要があります。このプロセスを媒介するタンパク質の例としては、グルコーストランスポーター、有機カチオン輸送タンパク質、尿素トランスポーター、モノカルボキシレートトランスポーター 8、モノカルボキシレートトランスポーター 10などがあります。

多くの物理的および生化学的プロセスは拡散によって制御されています。^[3]促進拡散は拡散の1つの形式であり、いくつかの代謝プロセスで重要です。促進拡散は、転写因子（TF）がDNA分子上の指定された標的部位に結合する主なメカニズムです。生細胞の外で起こる非常によく知られた促進拡散の方法であるin vitroモデルは、細胞質内の拡散の3次元パターンとDNA輪郭に沿った1次元拡散を説明します。^[4]細胞外で起こるプロセスに関する広範な研究を行った後、このメカニズムは一般的に受け入れられましたが、このメカニズムが生体内または生細胞内で起こり得ることを確認する必要がありました。そこでBauer＆Metzler（2013）^[4]は、細菌ゲノムを使用してTF-DNA結合が発生する平均時間を調べる実験を行いました。 TF が細菌 DNA の輪郭と細胞質を横切って拡散するのにかかる時間を分析した結果、in vitro と in vivo は、TF の DNA への結合速度と DNA からの解離速度がどちらも同様であるという点で類似していると結論付けられました。また、DNA 輪郭上では動きが遅く、標的部位の位置を特定しやすいのに対し、細胞質内では動きが速いものの、TF は標的に対して敏感ではないため、結合は制限されます。

単分子イメージングは​​、生細胞における転写因子結合機構の研究に必要な理想的な解像度を提供するイメージング技術である。^[5]大腸菌などの原核 細菌細胞では、調節タンパク質がDNA塩基対上の標的部位を見つけて結合するためには促進拡散が必要である。^{[3] [5] [6]}これには2つの主なステップがある。タンパク質はDNA上の非特異的部位に結合し、次に標的部位を見つけるまでDNA鎖に沿って拡散する。このプロセスはスライディングと呼ばれる。^[3] Brackleyら (2013) によると、タンパク質スライディングのプロセス中、タンパク質は3次元および1次元の拡散パターンを使用してDNA鎖の全長を検索する。 3D 拡散中、クラウダー タンパク質の高発生率により浸透圧が生成され、サーチャー タンパク質 (例: Lac リプレッサー) が DNA に近づき、その引力が増して結合できるようになります。また、立体効果により、クラウダー タンパク質がこの領域 (Lac オペレーター領域) から排除されます。ブロッカー タンパク質は 1D 拡散にのみ関与します。つまり、細胞質ではなく DNA の輪郭に沿って結合して拡散します。

上述の生体内モデルは、DNA鎖に沿った3次元および1次元の拡散と、鎖上の標的部位へのタンパク質の結合を明確に説明しています。真核生物では、原核細胞と同様に、促進拡散が核質内のクロマチンフィラメントで発生します。これは、タンパク質がクロマチン糸に結合しているか、核質内で自由に拡散しているかによって、タンパク質のスイッチングダイナミクスによって説明されます。^[7]さらに、クロマチン分子は断片化されているため、そのフラクタル特性を考慮する必要があります。クロマチンフラクタル構造上の3次元拡散フェーズと1次元拡散フェーズを交互に繰り返しながら、標的タンパク質の検索時間を計算した後、真核生物の促進拡散は検索プロセスを促進し、DNA-タンパク質親和性を高めることで検索時間を最小化すると推測されました。^[7]

赤血球表面のヘモグロビンとの酸素の親和性が、この結合能力を高めます。^[8]酸素の促進拡散システムでは、リガンドである酸素とキャリアであるヘモグロビンまたはミオグロビンとの間に密接な関係があります。^[9]ヘモグロビンまたはミオグロビンによる酸素の促進拡散のこのメカニズムは、ヴィッテンバーグとショランダーによって発見され、開始されました。^{[10]彼らは、さまざまな圧力で酸素の}拡散の定常状態をテストする実験を行いました。酸素促進拡散は、酸素圧を比較的制御できる均質な環境で発生します。 ^{[11] [12]酸素拡散が発生するには、}膜の片側に完全飽和圧力（より高い）があり、膜の反対側に完全な減圧（より低い）がある必要があります。つまり、膜の片側の濃度が高くなければなりません。促進拡散の間、ヘモグロビンは酸素の定常拡散速度を増加させ、促進拡散はオキシヘモグロビン分子がランダムに置換されるときに発生します。

一酸化炭素の促進拡散は酸素の促進拡散と同様である。一酸化炭素もヘモグロビンやミオグロビンと結合するが^[12]、一酸化炭素の解離速度は酸素の100倍遅い。一酸化炭素のミオグロビンに対する親和性は酸素の40倍、ヘモグロビンに対する親和性は250倍高い。^[13]

グルコースは大きな分子であるため、膜を介した拡散は困難である。^[14]そのため、グルコースは促進拡散によって濃度勾配に沿って膜を透過して拡散する。膜上のキャリアタンパク質はグルコースに結合し、容易に輸送できるようにその形状を変える。^[15]細胞内へのグルコースの移動は、膜貫通タンパク質の数に応じて速くなったり遅くなったりする。グルコースは、細胞内の他のグルコース分子に駆動力を提供する依存性グルコース共輸送体によって濃度勾配に逆らって輸送される。促進拡散は、蓄積されたグルコースを毛細血管に隣接する細胞外空間に放出するのに役立つ。^[15]

• 主要促進因子スーパーファミリー

• 促進拡散 - 説明とアニメーション
• 促進拡散 - 定義と補足