4 transport membranar mg

Curs Biofizica – MG – 2008 – 2009 “Transport membranar”

FENOMENE DE TRANSPORT PRIN MEMBRANA CELULARA Structura şi funcţiile membranei celulare

Organismele vii sunt alcătuite dintr-un număr foarte mare de compartimente fluide interdependente, mărginite de membrane plasmatice. Membranele celulare sunt structuri planare cu grosimi moleculare cuprinse între 6 şi 10 nm (1 nm = 10-9 m) care îndeplinesc cel puţin două funcţii dinamice esenţiale, ele neputând fi privite ca nişte pelicule pasive care delimitează două medii care au caracteristici fizico-chimice diferite (lichidul interstiţial şi citoplasma).

Prima funcţie a membranei celulare este de a împiedica mişcarea liberă a particulelor între două compartimente adiacente (lichidul interstiţial şi citoplasma), prin urmare membrana are rolul unei bariere fizice active. Lichidul interstiţial şi citoplasma sunt sisteme disperse având ca solvent apa, iar ca faze dispersate electroliţi (ioni de Na, K, Cl, Ca, Mg), macromolecule (de ex. proteinele), organite intracelulare (de ex. mitocondriile) şi molecule polare mici, în concentraţii diferite. Lichidul interstiţial şi citoplasma au aceeaşi osmolaritate de aproximativ 300 mOsM/l, fiind deci, lichide izotonice.

Fiind semipermeabile şi selective, membranele celulare îndeplinesc şi o a doua funcţie foarte importantă şi anume reglarea volumului şi a compoziţiei mediului intracelular. Această reglare asigură menţinerea la valori constante a compoziţiei şi volumului intra- şi extracelular, în ciuda fluctuaţiilor din mediul extern.

Structura membranei celulare a fost studiată prin microscopie electronică, difracţie de raze X şi recent, vizualizată cu ajutorul microscopiei de forţă atomică.

Fig. 1 Structura membranei celulare conform modelului mozaicului fluid proteolipidic

Principalii constituenţi ai membranelor biologice sunt lipidele şi proteinele, conform

modelului mozaicului fluid proteolipidic (Fig. 1) al lui Nicholson şi Singer elaborat în 1972: membrana este formată dintr-un bistrat lipidic, în care sunt inserate proteine şi glicoproteine. Acest model presupune distribuţia uniformă a diferitelor tipuri de lipide în bistrat, lucru care a fost infirmat în ultimii ani. Simon si Ikonen au demonstrat în 1987 existenţa asa numitelor microdomenii lipidice (“lipid rafts”) de colesterol şi sfingomielina care nu sunt solubile în detergenţi nonionici, adică prezenţa unor insule membranare, lipidele nedistribuindu-se uniform pentru a forma bistratul lipidic. Lipidele

Sunt molecule insolubile în apă şi uşor solubile în solvenţi organici, constituind aproximativ 50% din masa membranelor celulelor animale, având o densitate de aproximativ 5⋅106 lipide / 1 µm2 arie de membrană. Lipidele formează matricea pentru fixarea proteinelor, dar îndeplinesc şi alte funcţii.

1


Lipidele sunt fie amfifile, adică prezintă capăt polar (extremitate polară care interacţionează puternic cu apa) şi una sau mai multe catene alifatice puternic hidrofobe (formate din două lanţuri de hidrocarburi numite şi cozi hidrofobe) (Fig. 2).

Fig. 2 Moleculele lipidice sunt amfifile

Această conformaţie influenţează împachetarea şi mişcarea respectivei molecule

lipidice în planul lateral al membranei. Capetele polare ale moleculelor amfifile au radicali fosfat şi sunt fie ionice fie neutre, acestea din urmă au o distribuţie asimetrică a sarcinii electrice determinând orientarea în câmpul electric sau magnetic.

Cele mai importante clase de lipide întâlnite în constituirea bistratul lipidic sunt: fosfolipidele, glicolipidele şi colesterolul.

Fosfolipidele sunt derivaţi ai glicerolului (acool simplu) sau ai sfingosinei (alcool complex) (Fig. 3). Există fosfolipide care conţin colină: fosfatidilcolina, sfingomielina sau care nu conţin colină: fosfaditiletanolamina, fosfatidilserina, fosfatidilinositol etc. Una dintre cele două cozi hidrofobe ale fosfolipidelor se prezintă sub forma unui lanţ drept de acizi graşi saturaţi, iar cealaltă prezintă o mică buclă datorită unei legături duble cis nesaturate.

Fosfolipidele sunt asimetric distribuite în bistrat, astfel, pe partea interstiţială a membranei se afla fosfaditilcolina şi sfingomielina, iar pe partea citoplasmatică a membranei se afla fosfaditiletanolamina şi fosfaditilserina care are şi sarcina electrică negativă.

Glicolipidele conţin la capătul polar molecule de zahăr (glucoză sau galactoză), ele fiind întâlnite exclusiv pe suprafaţa extracelulară a membranelor lipidice.

Colesterolul se orientează în biomembrane cu grupările hidroxil din structura inelară steroidă în vecinătatea capetelor polare ale fosfolipidelor (Fig. 99) interacţionând şi imobilizând parţial grupările hidrocarbonate din cozile fosfolipidelor, având ca efect scăderea fluidităţii biomembranelor.

Interacţia fosfolipide – apă

Capetele polare ce conţin gruparea fosfat interacţionează cu moleculele polare de apă. Deoarece cozile moleculelor amfifile sunt hidrofobe, interacţiunea cu moleculele de apă este mai slabă decât interacţiunea dintre moleculele de apă, din acest motiv, la contactul cu apa, cozile hidrofobe sunt eliminate din contactul cu aceasta.

În funcţie de concentraţia fosfolipidelor în apă, se pot realiza trei tipuri de structuri (Fig. 4): - monostrat lipidic pentru concentraţii mici de fosfolipide; prin împrăştierea unei soluţii de lipide pe o fază apoasă se formează spontan un monostrat la interfaţa aer/apă unde capetele polare ale lipidelor sunt orientate către apă, iar cozile hidrofobe către aer; astfel,

2


lipidele sunt surfactanţi (au proprietatea de a scădea coeficientul de tensiune superficială al apei)

Fig. 3 Clasificarea lipidelor membranare în funcţie de structura lor (Structure-based

classification of membrane lipids Expert Reviews in Molecular Medicine © 2002 Cambridge University Press)

- micele, când conţinutul de lipide al amestecului este mult mai mare catenele alifatice se vor orienta către interior, iar capetele polare vin în contact cu faza apoasă - bistraturi, la concentraţie foarte mare de fosfolipid, capetele polare vin în contact cu faza apoasă, iar catenele alifatice sunt împachetate paralel una cu alta; miezul lipidic fiind hidrofob este exclus din faza apoasă, iar bistraturile lipidice se închid spontan formând vezicule stabile.

3


Fig. 4 Organizarea spontană în apă a moleculelor lipidice

Fig. 5 La temperatura la care se desfăşoară procesele biologice, bistratul lipidic se comportă ca o structură dinamică

Bistratul lipidic este o structură dinamică, prezentând fluiditate: moleculele lipidice

prezintă mişcări de translaţie în stratul în care se află (difuzie laterală), rotaţie în jurul axei proprii, rotaţie descriind o suprafaţă conică, flexie, basculare dintr-un strat lipidic în celălalt (Fig. 5).

Experimentul Gorter – Grendel În 1925, Gorter şi Grendel (iniţiatorii modelului de bistrat al membranei plasmatice)

au emis ipoteza că dacă membrana plasmatică este bistrat, atunci, suprafaţa ei trebuie să fie jumătate din cea ocupată de totalitatea lipidelor sale într-un monostrat. Pentru a testa această ipoteză ei au măsurat suprafaţa eritrocitelor recoltate de la diferite mamifere la microscop, apoi au extras lipidele din membrana eritrocitelor, au împrăştiat lipidele la supraţata aer/soluţie salină şi au măsurat aria monostratului obţinut. Prin compararea celor două tipuri de măsurători s-a obţinut raportul de aproximativ 2:1 pentru diferitele celule roşii, confirmând astfel modelul de bistrat al membranei plasmatice. Proteinele membranare

Proteinele sunt macromolecule care constituie elemente esenţiale pentru toate procesele biologice. Concentraţia proteinelor membranare variază între 20% (mielina, de exemplu) şi 75% (în membrana mitocondriilor) sau chiar 80% (în membrana microorganismului Halobacterium halobium, conţinând bacteriorodospină care este un pigment fotosensibil).

Proteinele reprezintă elementul activ al membranei, fiind structuri organizate de bază în desfăşurarea următoarelor procese biologice: - fenomene de transport (canalele şi transportorii care contribuie la transportul ionilor şi al moleculelor mici sunt proteinele specifice) - cataliza enzimatică (enzimele, în majoritatea cazurilor, sunt structuri proteice, care măresc vitezele de reacţie ale proceselor desfăşurate in vivo de ordinul milioanelor)

4


- mişcarea coordonată (de exemplu, actina şi miozina sunt structuri proteice specifice responsabile pentru existenţa mişcării coordonate) - suport mecanic (colagenul este o proteină esenţială în structura pielii, a ţesuturilor osoase şi a tendoanelor) - imunoprotecţie (anticorpii sunt de asemenea proteine extrem de specializate cu rol în recunoaşterea organismelor străine)

Varietatea lor este mult mai mare decât a lipidelor fiind determinată de diversitatea funcţiilor lor.

În funcţie de modul în care se inserează în membrană, proteinele (Fig. 6) sunt: a) proteine intrinseci (integrale) care au următoarele caracteristici: - traversează membrana celulară o dată (glicoforina) sau de mai multe ori (exemplu: proteinele transportoare, pompe ionice constituite din mai multe α –helixuri)

Fig.6 Tipuri de proteine membranare

- pot fi extrase prin tratare cu detergenţi - sunt implicate în procesele de transport b) proteine extrinseci (periferice) - pătrund în membrană pe o anumită distanţă, pe una din cele două feţe, sau sunt ataşate la suprafaţa membranei (receptorii membranari, proteine cu rol imunologic etc.) - pot fi îndepărtate prin spălare ori prin tratare cu soluţii cu tărie ionică scăzută - sunt implicate în transmiterea informaţiei în interiorul celulei Fluiditatea membranelor plasmatice

La temperatura la care se desfăşoară procesele biologice, membrana are proprietăţi fizice ce o apropie mai mult de starea de agregare fluidă, aşadar, dispunând de o mare libertate, atât lipidele cât şi proteinele membranare pot executa diferite mişcări.

Aceste mişcări sunt datorate agitaţiei termice proprii, precum şi ciocnirilor cu moleculele cu care vin în contact, ceea ce permite realizarea reacţiilor enzimatice. Proteinele pot executa mişcări de translaţie laterală prin bistrat, precum şi de rotaţie în jurul unei axe perpendiculare pe bistratul lipidic. Spre deosebire de lipide care se pot mişca liber în bistrat, mişcarea proteinelor este mai restrictivă, fiind condiţionată de interacţiunea cu alte proteine. În orice moment o fracţiune însemnată a lipidelor membranare este adiacentă proteinelor, dar există un permanent schimb între lipidele limitrofe şi cele din restul stratului lipidic. Diversele tipuri de lipide au afinitate diferită faţă de proteine, aşadar vor exista diferenţe între compoziţia generală a bistratului şi a păturii adiacente a proteinelor.

Fluiditatea membranară depinde de compoziţia acesteia. Când membranele plasmatice sunt alcătuite din fosfolipide nesaturate sunt mult mai permeabile pentru substanţele liposolubile. Acest lucru poate fi explicat prin existenţa legăturilor duble ale catenelor alifatice din fosfolipidele nesaturate, legături duble care împiedică rotirea catenelor conducând la imposibilitatea împachetării strânse a acestor catene. Prin urmare, interacţia dintre catene este mai slabă şi fluiditatea membranei creşte. Se poate astfel explica de ce substanţele lipidice difuzează mai repede prin membrane mai fluide.

5


Fluiditatea membranelor biologice depinde şi de cantitatea de colesterol din membrană. Structural, colesterolul este situat alături de capetele polare determinând extinderea catenelor alifatice în această zonă (Fig. 7).

Fig.7 Colesterolul în bistraturile lipidice

Rigiditatea inelului colesterolului limitează mişcarea naturală a catenelor alifatice

învecinate, partea dinspre exterior a moleculei lipidice devenind mai puţin flexibilă, creşterea concentraţiei de colesterol din membrană determinând scăderea fluidităţii membranare. Acest efect al colesterolului are un anumit rol şi în natură. De exemplu, unele antibiotice formatoare de canal (Nystatinul, de exemplu) operează numai în membrane ce conţin colesterol, probabil că rigiditatea membranară indusă de colesterol determină o stabilitatea mai mare a porilor. Pe de altă parte, colesterolul descreşte permeabilitatea biomembranelor pentru moleculele biosolubile mici, conducând la creşterea stabilităţii mecanice a bistratului lipidic. S-a constatat că membrana celulelor cărora le-a fost suprimată genetic capacitatea de a sintetiza colesterol sunt foarte fragile din punct de vedere mecanic, prezenţa colesterolului fiind absolut necesară supravieţuirii celulor respective. Funcţiile membranei celulare În primul rând, membrana asigură menţinerea caracteristicilor fizico-chimice diferite ale celor două compartimente pe care le separă. Membrana reprezintă o zona de comunicare controlată între cele două compartimente, în ambele sensuri prin: 1. Transport de substanţă prin membrana intactă (molecule, ioni şi apă) sau prin ruperea membranei urmată de refacerea acesteia datorită plasticităţii ei excepţionale. 2. Traducere şi transfer de informaţie adusă de diferiţi stimuli (mecanici, electrici, electromagnetici, chimici, termici etc.) prin receptorii specifici pe care membrana îi conţine. 3. Implicare în funcţiile celulare datorită enzimelor şi complexelor enzimatice pe care le conţine: replicarea ADN, biosinteza proteinelor, bioenergetică celulară, răspuns hormonal.

Transportul de substanţă prin membrană se face prin macrotransport dacă substanţa transportată este în stare solidă sau lichidă (formele de macrotransport fiind fagocitoza şi pinocitoza) şi prin microtransport care poate fi pasiv sau activ. Macrotransportul

În procesul de fagocitoză celula înglobează particule de substanţă solidă, învăluindu-le anterior cu nişte prelungiri citoplasmatice numite pseudopode, prelungiri care fuzionează apoi în spatele acestor particule.

6


La protozoare (la amoebe de exemplu) fagocitoza este procesul prin care celula se hrăneşte. La celulele mai dezvoltate, acest mecanism serveşte altor scopuri şi anume: macrofagele şi leucocitele înghit fragmente celulare şi intruşi.

Prin pinocitoză, lichidele, dispersate în picături fine, şi macromoleculele sunt introduse în celulă sau scoase din aceasta, după ce în prealabil au fost învelite într-un bistrat lipidic devenind vezicule. Veziculele fuzionează cu membrane celulară şi pot fi transportate dintr-o parte într-alta a membranei. Expulzarea conţinutului lichid al veziculei are loc ca efect al forţelor de tensiune superficială Formele pinocitozei sunt: - endocitoza (pătrunderea in interiorul celulei a veziculei, urmată de expulzarea conţinutului acesteia). - transcitoza (vezicula traversează celula, fără a se sparge, Fig. 8) are loc cu precădere în celulele endoteliului capilar, facilitând trecerea proteinelor plasmatice din sânge către spaţiul extravascular.

Fig. 8 Transcitoza

- exocitoză (expulzarea de către celulă a unei vezicule care, de exemplu, conţine substanţe pe care celula este incapabilă de a le utiliza). Fenomenele de exocitoză sunt frecvente în terminaţiile nervoase şi în celulele secretorii. Microtransportul Transportul pasiv

Prin transport pasiv moleculele şi ionii se deplasează în sensul gradientului electrochimic sau de presiune fără consum de energie metabolică, sistemul având tendinţa de a ajunge la echilibru termodinamic. Gradientul electrochimic este o forţă termodinamică producătoare de flux şi reprezintă rezultatul unor procese desfăşurate cu consum energetic. În timpul transportului, moleculele şi ionii utilizează energia mişcărilor de agitaţie termică şi cea derivată din atracţia sau respingerea electrostatică.

Un anumit tip de molecule aflate într-o soluţie înmagazineaza o energie chimică sub formă de potenţial chimic care se poate exprima prin relaţia

cc

RT 00 ln+= µµ

unde µ0 reprezintă potenţialul standard (potenţialul chimic al unui solvit aflat într-o concentraţie egală cu unitatea, la 25oC), R este constanta universală a gazelor, iar T este temperatura termodinamică. În cazul în care solvitul este un electrolit disociat, pe langă energia chimică a ionilor săi există şi energia electrică a acestora exprimată prin relaţia

νzFE unde ν este numărul de echivalent-gram de ioni de un anumit tip, z este valenţa ionilor, F este numărul lui Faraday (96400 C/eq), V este potenţialul electric al soluţiei.

7


Prin urmare, potenţialul electrochimic al unei specii de ion în soluţie va fi dat de suma celor două energii prin expresia:

W = ν (µ + zFV) Considerand că de o parte şi de alta a membranei celulare avem o anumită specie

ionică în concentraţii c1 = cin, c2 = cex, cu potenţialele electrice ale soluţiilor V1 = Vin, V2 = Vex obţinem:

( )exinex

inexin VVzF

ccRTWWW −+=−=∆ ln

Deosebim două cazuri: - ∆W > 0 - ionii tind să părăsească celula şi se întâmplă acest fenomen dacă celula este permeabilă pentru acei ioni. - ∆W < 0 - ionii tind să pătrundă în celulă, dacă membrana este permeabilă pentru aceştia.

Transportul pasiv al unei specii ionice încetează la echilibru, adică în momentul în care potenţialele electrochimice ale ionului în celulă şi în afara ei devin egale, adică pentru ∆W = 0:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=−=

erior

exteriorexin c

czFRTVVE

int

ln

ecuaţia Nernst Folosind relaţia lui Nernst se poate calcula diferenţa de potenţial electric de o parte

şi de alta a membranei a unei specii ionice în condiţiile în care se cunosc concentraţiile ionului, la echilibru.

Există trei tipuri de transport pasiv: difuzia simplă, difuzia facilitată şi difuzia prin

canale şi pori. Difuzia simplă se produce prin dizolvarea speciei moleculare transportate în

membrană. Datorită structurii membranei de bistrat lipidic, zona internă fiind hidrofobă, o particulă, pentru a trece de pe o faţă a membranei pe cealaltă, trebuie să străbată o zonă hidrofilă şi să pătrundă în zona hidrofobă. De aici rezultă ca mecanismele de difuzie sunt diferite pentru particulele hidrofile (ioni şi molecule polare) şi particulele hidrofobe (nepolare), respective particulele hidrosolubile şi liposolubile.

Solubilitatea unei substanţe este diferită în mediul apos şi în membrană, prin urmare, difuzia simplă depinde de coeficientul de permeabilitate al membranei (P – vezi cursul de sisteme disperse) dar şi de caracteristicile particulei, adică de coeficientul de partiţie (β).

Să vedem care sunt particulele care pot traversa membrana prin difuzie simplă. Un ion în mediu apos formează un sistem stabil cu acesta datorită interacţiunii cu moleculele polare de apă, şi de aceea pentru a-l transporta în mediul dielectric al bistratului lipidic este nevoie de un lucru mecanic. Prin urmare, simpla difuzie a ionilor prin bistrat este improbabilă, trecerea ionilor prin membrană făcându-se prin mecanisme specializate care înlătura bariera energetică.

Macroionii nu pot difuza prin membrana celulară datorită atât sarcinii electrice cât şi dimensiunii lor mari, acest lucru având o importanţă deosebită în stabilirea diferenţei de potenţial dintre feţele membranei.

Moleculele hidrofobe pot traversa membrana, permeabilitatea membranei pentru acestea fiind cu atât mai mare cu cât dimensiunea particulei este mai mică, deoarece bistratul lipidic are o structura destul de compactă.

În concluzie, numai moleculele mici nepolare, moleculele hidrofobe şi gazele pot traversa membrana prin difuzie simplă.

8


Difuzia facilitată Moleculele hidrofile mari, cum sunt mulţi factori nutritivi necesari celulei, precum şi

unii ioni traversează membrana prin difuzie facilitată, utilizând molecule transportoare existente în membrană sau introduse artificial în aceasta. Asemenea molecule transportoare au o anumită specificitate, recunoscând specia moleculară sau ionică pe care o transportă. Există transportori pentru glucoză, colină, pentru diferiţi ioni (ionofori).

Fig. 9 Exemplu de difuzie facilitată: difuzia facilitata a gucozei (dupa Baldwin &

Lienhard, Trends Biochem. Sci. 6:210, 1981) Transportorii sunt proteine atât de specializate încât pot deosebi speciile levogire

de cele dextrogire. Fiind vorba despre o formă de transport pasiv, sensul de acţiune al transportorilor în difuzia facilitată este sensul gradientului electrochimic.

Molecula transportoare, cu rol enzimatic, se poate găsi în două stări conformaţionale. În Fig. 9 este figurat transportul facilitat al moleculei de glucoză. Se poate observa cum molecula de glucoza, numită substrat în aecastă situaţie, se leagă pe una din feţele membranei într-un anumit loc de legare numit situs. Se produce în urma legării o modificare conformaţională şi situsul de legare este expus părţii opuse, simultan cu scăderea afinităţii transportorului pentru glucoză şi eliberarea acestei molecule de partea cealaltă a membranei. Prin eliberare se revine la conformaţia iniţială şi ciclul se repetă. Difuzia prin canale ionice

Substanţele ionizate nefiind liposolubile, difuzia lor prin membrană se poate face prin structuri proteice specializate care strabat membrana pe toată grosimea ei şi creează căi de trecere pentru ioni, formând canale sau pori. Noţiunea de por este folosită pentru structurile neselective, făcând o discriminare doar pe baza diametrului particulei. Cu precădere, prin pori trece apa, caz în care aceştia se numesc porine. Ionii au în jurul lor o zona de hidratare, din care cauză au diametrul prea mare pentru pori.

Canalele ionice sunt proteine specializate care străbat membrana lipidică celulară, permiţând astfel trecerea substanţelor neliposolubile. Prin canale ionii pot să treacă în ambele sensuri, dar transportul are loc în sensul gradientului electrochimic. Spre deosebire de pori, canalele ionice sunt structuri selective. Eficacitatea transportului prin canale este foarte mare, printr-un singur canal putând trece 106-108 ioni/s.

9


În Fig. 10 este reprezentată schematic structura unui canal ionic. Filtrul recunoaşte un anumit tip de ion şi îl lasă să treacă în vestibulul. Senzorul primeşte informaţia din exterior, fie din partea unei molecule receptoare, fie direct de la un semnal electric (acesta este cazul canalului din Fig. 10), şi, dacă informaţia este corespunzătoare, comandă deschiderea porţii permiţând ionului să intre sau să iasă din celulă, împins de potenţialul său electro-chimic.

Canalul poate fi închis sau deschis printr-o modificare conformaţională a proteinei canal comandată printr-un mecanism specific electric, chimic sau prin alte mecanisme.

Fiecare tip de canal poate fi blocat specific de anumite toxine: tetrodotoxina inhibă funcţionarea canalului de Na+ din membrana axonală, tetraetilamoniul blochează canalul de K+). Blocanţii specifici permit studierea proprietăţilor canalelor sau identificarea proteinelor canal.

Canalul ionic este caracterizat de un parametru electric numit conductanţă G, care reprezintă inversul rezistenţei electrice R. Unitatea de măsură a conductanţei este Siemens-ul (S). Din punct de vedere biologic, conductanţa canalului reprezintă echivalentul electric al permeabilităţii acesteia pentru un anumit tip de ion. Se poate aprecia conductanţa unei porţiuni de membrană ca fiind dată de produsul dintre conductanţa unui canal izolat şi densitatea canalelor deschise, deoarece conductanţa canalului deschis este constantă. Ordinul de mărime al conductanţei unui canal ionic este pS (1 picoSiemens = 10-12 S).

Fig. 10 Reprezentarea schematică a canalului membranar Există substanţe care formează în jurul ionului o structură hidrofobă, permiţându-i

acestuia difuzia prin bistrat. O astfel de substanţă care, inclusă în membrana celulară, permite translocarea ionilor de pe o faţă pe cealaltă se numeşte ionofor. Ionoforii pot forma canale prin membrană sau pot acţiona ca nişte molecule transportoare. De exemplu, valinomicina (Fig. 11) este un ionofor care poate încorpora ionii de K+, forţându-i să părăsească prin membrană celula bacteriană, provocând moartea acesteia, acţionând astfel ca un antibiotic.

Fig. 11 Valinomicina este un ionofor care face ca ionii de K+ să iasă din celula bacteriană,

provocându-i moartea Din studiul comparativ al transportului pasiv prin difuzie facilitată şi al transportului

prin canale rezultă următoarele: - moleculele transportoare au o specificitate mai mare pentru moleculele sau ionii transportaţi decât canalele, moleculele transportoare putând distinge între diferiţii izomeri ai unei molecule

10


- moleculele transportoare au o viteză mult mai mică de lucru decât a canalelor ionice, permiţând trecerea doar a 1000 de ioni pe secundă, acest lucru fiind compensat de numărul lor foarte mare - transportorii pot participa şi la transportul activ - canalele au o foarte mare viteză de lucru, până la 10 milioane de ioni pe secundă motiv pentru care canalele sunt căile preferate pentru transportul ionilor atunci când sunt necesare variaţii bruşte ale compoziţiei şi concentraţiei ionice (în excitaţia celulară, de exemplu).

Fig. 12 Comportamentul diferitelor tipuri de molecule în apropierea membranei lipidice

În concluzie, membrana celulară poate fi traversată prin transport pasiv de

moleculele mici hidrofobe prin difuzie simplă, de ioni prin canale şi difuzie facilitată şi de moleculele hidrofile mari prin difuzie facilitată (Fig. 12).

Fig. 13 Difuzia apei printr-un por

Transportul apei care intervine esenţial în toate procesele biologice se realizează

atât prin difuzie simplă şi osmoză cât şi prin canale (pori apoşi (Fig. 13)), permeabilitatea membranei pentru apă fiind foarte mare. Mecanismele de transport al apei sunt foarte complexe şi incomplet elucidate, un rol foarte important avându-l diferenţa de presiune osmotică.

11


Transportul activ Este o formă de transport care necesită consum de energie metabolică (a unei

reacţii chimice, de exemplu). Se realizează în sensul invers gradientului de potenţial electrochimic. Se disting două forme de transport activ: transportul activ primar şi transportul activ secundar.

Transportul activ primar se realizează folosind proteine integrale numite pompe ionice membranare. In urma transportului activ se stabileşte gradientul de concentraţie în sensul căruia se desfăşoară transportul pasiv. Pompa leagă ionul pe o parte a membranei într-o anumită zonă activă numită situs de legare şi, datorită unor modificări conformaţionale care intervin în urma legării ionului, îl transferă pe cealaltă parte unde îl eliberează. Pompa foloseşte, de obicei, hidroliza ATP în ADP şi P.

Exemplul cel mai cunoscut este ATP-aza Na+/K+ care translocă 3 ioni de Na + din interiorul celulei, unde concentraţia acestuia este mică, spre mediul extracelular şi 2 ioni de K+ din exteriorul celulei în interiorul acesteia (Fig. 14).

Fig. 14 Pompa Na/K

Deoarece rezultatul unui ciclu este un transfer net de sarcină pozitivă în exteriorul

celulei, spunem că pompa este electrogenică. De asemenea, pompa de Na+/K+ asigură prin funcţionarea ei osmolaritatea egală pe ambele feţe ale membranei.

12


Fig.15 Schema Albert – Post a etapelor funcţionării ATP-azei Na+/K+

În Fig. 15 este reprezentată succesiunea etapelor ATP-azei de Na+/K+. Aceasta este schema Albert – Post şi are următoarele etape: 1. enzima ia Na+ pe partea citoplasmatică şi leagă ATP – aceatsă legare este posibilă numai în prezenţa ionilor Mg++ 2. ATP este hidrolizat, complexul fosforilat suferă o tranziţie conformaţională, urmată de scăderea afinităţii pentru Na+ şi creşterea afinităţii pentru K+

3. ionii de Na+ se desprind şi se leagă ionii de K+ 4. legarea ionilor de K+ determină defosforilarea 5. în urma defosforilării, proteina pierde afinitatea pentru K+, aceştia desprinzându-se 6. enzima revine la conformaţia iniţială şi ciclul se reia.

Există şi alte pompe în membrana celulară, cum ar fi:

- pompa de H+, K+ din mucoasa gastrică (din membrana plasmatică a celulelor parietale) (Fig. 16), tot o ATP-ază a cărei structură este asemănătoare cu cea a Na-K-ATP-azei.

Fig. 16 ATP-aza H+/K+ din mucoasa gastrică

Această pompă se găseşte în veziculele intracelulare. În urma unui semnal hormonal, veziculele fuzionează cu membrana, în care se inserează pompele. Se pot obţine diferenţe de pH de 6,6, corespunzătoare unui raport de concentraţie a protonilor de 4.106. - pompa de Ca++ din reticulul sarcoplasmic şi din membrana plasmatică

13


Fig. 17 Mecanismul prin care se menţine un pH scăzut în lumenul stomacal

- pompa protonică bacteriorodopsina (Fig. 18) care, sub acţiunea luminii, pompează protoni din interiorul în exteriorul celulei.

Fig. 18 Bacteriorodopsina pompează protoni împotriva gradientului lor electrochimic, sub

acţiunea luminii

Transportul activ secundar

Prin transport activ secundar speciile transportate pătrund într-un compartiment (extracelular sau intracelular) împotriva gradientului lor electrochimic, asociindu-se cu molecule care se deplasează în sensul gradientului de concentraţie. Specia transportată cât şi molecula care efectuează transport pasiv se leagă de aceeaşi moleculă transportoare.

Transportul activ secundar utilizează transportorii întâlniţi la difuzia facilitată, aceştia putând lega substratele transportate în aceeaşi stare conformaţională sau în stări conformaţionale diferite (Fig. 19). Dacă ambele specii moleculare transportate se leagă de aceeaşi parte a proteinei, transportul poartă denumirea de simport sau co-transport, iar transportorul îşi poate modifica starea conformaţională doar după ce ambele substrate au ajuns în situsurile de legare. Cazul în care speciile transportate se leagă pe cele două părţi ale transportorului, care se va afla astfel în stări conformaţionale diferite, se numeşte antiport sau contra-transport.

14


Fig. 19 Comparaţie între formele de transport activ: primar şi secundar

Întâlnim simport la pătrunderea glucozei în celulele mucoasei intestinale; ea se

asociază cu Na+ care intră pasiv. Ionii de Na+ sunt eliminaţi activ prin transport primar, prin ATP-aza de Na+/K+, iar glucoza rămâne.

Şi în acest caz, avem de-a face cu un transport electrogenic deoarece rezultatul net constă în transportul unei sarcini pozitive dintr-o parte a membranei în cealaltă.

Fig. 20 Simportul glucoza – Na+ din celulele mucoasei intestinale

Un exemplu de antiport este cel de 3Na+/Ca2+, de la nivelul muşchiului cardiac,

care asigură o concentraţie scăzută a ionilor de calciu în interiorul celulei. Energia pe care o foloseşte antiportul este furnizată de transportul activ al ionilor

de sodiu din mediul extracelular către interiorul celulei.

Fig. 21 Antiportul de 3Na+/Ca2+ menţine scăzută concentraţia ionilor de calciu în interiorul

celulelor

Transportul este electrogenic, deoarece avem sarcină netă (+1) translocată prin membrana celulară.

15


Traducerea şi transferul de informaţie prin membrana celulară Pentru a menţine parametrii termodinamici în limite fiziologice şi pentru a depărta

sistemele biologice de stările de echilibru termodinamic este nevoie ca între diferitele compartimente ale unui organism viu să existe transfer de informaţie.

Receptorii membranari din membrana plasmatică celulară sunt proteine intrinseci cu funcţie enzimatică care au capacitatea de a recunoaşte o moleculă semnal din mediul extracelular, numită mesager prim, şi de a interacţiona cu ea rapid şi reversibil. Molecula purtătoare de informaţie se numeşte ligand specific şi se poate lega de un anumit tip de receptor. În mod obişnuit, moleculele semnal nu pătrund în interiorul celulei, rolul lor fiind doar de a transmite prin diferite mecanisme membranare informaţia pe care o poartă.

Mesagerii primi pot fi molecule dar şi factori fizico-chimici. Printre moleculele cu rol de mesager prim se întâlnesc: mediatorii chimici, hormonii polipeptidici, factori de creştere, antigenii, medicamentele, drogurile.

În urma interacţiei, celula poate sintetiza o altă moleculă semnal numită mesager secund care declanşează răspunsul celular specific. Mesagerul secund poate fi, uneori, chiar complexul receptor – mesager prim.

Mesageri secunzi frecvent întâlniţi sunt: acidul adenozin monofosforic ciclic (c-AMP), acidul guanozin monofosforic ciclic (c-GMP), diacil glicerolul (DAG), inozitol trifosfatul (InosP3). Procesele care au loc la nivel celular sunt următoarele (Fig. 22): de îndată ce ligandul s-a fixat de receptor, informaţia este transmisă la nivelul membranei, acest lucru survenind de obicei, în urma modificării conformaţiei receptorului; în urma acestui proces se declanşează o cascadă de reacţii în interiorul celulei având ca urmare o modificare a activităţii celulare la nivelul metabolismului sau la nivelul expresiei genelor; informaţia se transmite şi de-a lungul membranei celulare, prin semnale electrice sub forma de potenţiale locale şi de tip tot – sau – nimic.

Fig. 22 Calea de transducţie a unui semnal

De exemplu, membrana plasmatică a axonilor celulelor nervoase este capabilă să

conducă pe distanţe lungi informaţia sub forma unui curent electric transmembranar care se propagă de la corpul celular la extremităţile sinaptice.

16


Etapele semnalizării intercelulare 1. Sinteza moleculei semnal 2. Eliberarea moleculei semnal 3. Transportul moleculei semnal către ţintă 4. Detecţia semnalului 5. Răspunsul celular 6. Desprinderea moleculei semnal de receptor

Semnalele sunt clasificate in urmatoarele categorii: - semnale endocrine - semnale paracrine - semnale de contact - semnale nervoase.

Semnalele endocrine sunt reprezentate de hormonii produşi în glandele endocrine, secretaţi în sânge şi distribuiţi în organism; Semnalele paracrine, generate de celule, acţionează local în vecinătate; Semnalele de contact, necesită contactul intercelular; Semnalele nervoase se transmit de-a lungul axonilor către celulele ţintă;

În ceea ce priveşte clasificarea receptorilor membranari, aceasta se face după un criteriu bazat pe clasele funcţionale de evenimente primare asociate cu legarea moleculei semnal de receptor. Avem de-a face cu - receptori ionotropi care sunt asociaţi cu canalele ionice şi care chiar pot fi canale

ionice - receptori metabotropi care pot determina sinteza mesagerilor secunzi (prin

intermediul unei proteine efectoare), pot fi protein kinaze sau pot activa o protein kinază

Receptorii ionotropi au o zonă receptoare de care se leagă mesagerul prim şi o zonă

efectoare prin care comunică senzorului canalului comanda de deschidere sau închidere a porţii. Receptorul este nu canal ionic si legarea ligandului (numit si agonist) determina dschiderea canalului, permitand un flux ionic ce modifica potentialul membranar. Prin urmare, în urma activării, receptorul ionotropic afectează direct activitatea celulei prin deschiderea nemijlocită a unor canale ionice.

Printre receptorii ionotropi se numara receptorul de acetilcolina, receptorul acidului gamma-aminobutiric (GABA), receptorul glicinic.

Receptorii metabotropi pot determina sinteza mesagerilor secunzi (prin intermediul unei proteine efectoare), pot fi protein kinaze sau pot activa o protein kinază.

Fig. 23 Aparitia raspunsului celular

17


Mesagerii secunzi sintetizaţi activează o protein kinază citoplasmatică -influenţează activ

icare metabolică a celulei. u închiderea unui canal ionic ori

i prim de zona receptoare, zona efectoare activează aden

xistă receptori care prin zona lor efectoare activează o protein kinază.

ă poate activa o tirozin kinaz , se fosforilează alte protein

pinefrina (adrenalina), mesagerul prim, se leagă de receptorul specific

biochimic al rodopsinei în excitaţia vizuală. Receptorul pentru lumină

itatea celulei în etape: - mai întâi are loc o modif- aceasta poate în final să ducă la deschiderea sa

poate modifica o altă activitate a celulei (de exemplu transcripţia unei proteine ori alt răspuns celular specific). Prin legarea mesageruluilat-ciclaza care catalizează transformarea ATP în AMP-ciclic, care este chiar

mesagerul secund. Acesta, la rândul său, activează protein kinaza c-AMP dependentă, facând-o aptă sa declanşeze răspunsul celular. Există posibilitatea ca în loc de c-AMP să fie folosit c-GMP în calitate de mesager secund, caz in care în locul adenilat ciclazei avem de-a face cu guanilat ciclaza şi cu o protein kinază c-GMP dependentă.

E

Fig. 24

De exemplu, receptorul de insulin ăe şi în final se produce răspunsul celular care poate fi creşterea permeabilităţii

pentru glucoză. Exemplu: e(de zona receptoare a acestuia). În urma acestei legări, în urma unei modificări conformaţionale, receptorul devine apt să lege o proteină G. Proteina G, alcătuită din 3 subunităţi notate α, β şi γ, şi care în stare liberă leagă GDP, suferă la rândul ei o modificare conformaţională în urma căreia eliberează GDP şi leagă GTP la subunitatea α. Subunitatea α se separă de subunităţile β şi γ şi difuzează pâna când întâlneşte un efector (zona efectoare), adenilat ciclaza. Prin legare de efector acesta se activează şi catalizează transformarea ATP din celulă în c-AMP (mesager secund); c-AMP declanşează o serie de reacţii enzimatice prin care este activată enzima fosforilază şi aceasta din urmă determină transformarea glicogenului în glucoză ce este eliberată din celulă (răspunsul celular). După activarea efectorului, subunitatea α a proteinei G, prin hidroliza GTP devine inactivă şi se recombină cu subunităţile β şi γ, refăcând proteina G. Procesul se poate relua.

Alt exemplu: ciclul, rodopsina, leagă în urma fotoactivării traductina (proteină G) şi, în mod analog,

traductina activează o proteină efectoare (PDE). PDE converteşte c-GMP (mesager secund) în GMP. Prin această conversie se închid canalele de Na şi Ca. Celula se hiperpolarizează şi informaţia este transmisă creierului pe căile nervoase.

18


Categoria de receptori care funcţionează cu o proteină G rămân activi şi după disocierea de proteina G, putând activa în continuare un mare număr de proteine G, determinând astfel o amplificare a semnalului.

Mesagerul secund c-AMP poate activa o serie de protein kinaze care, la rândul lor, determină în ultimă instanţă eliberarea de hormoni, neurotransmiţători etc.

Alţi receptori folosesc drept mesageri secunzi diacil glicerolul DAG sau inozitol trifosfatul InosP3 (IP3) care se sintetizează plecând de la fosfaditil inozitol difosfat (PIP2) din membrana.

Spre deosebire de DAG care activează direct protein kinaza, Inos P3 eliberează Ca din depozitele celulare si acesta activează protein kinaza Ca dependenta.

De exemplu, anumiţi receptori leagă molecule semnal cum ar fi angiotensina, glucoza, Ach etc şi activează apoi o proteină G care, la rândul ei, activează o enzimă numită fosfolipaza C. Substratul acestei enzime este reprezentat de fosfolipide, în special fosfatidil inositol 4-5 difosfat (PIP2). Enzima descompune PIP2 in inositol 1,4,5-trifosfat (IP3), eliberat in citosol, şi diaciglicerol (DAG) care rămâne ataşat de bistratul lipidic. IP3 se leagă de un receptor specific situat in membrana reticulului endoplasmic, receptor care este un canal de calciu. La legarea IP3 canalul de Ca se deschide. La rândul sau, calciul eliberat poate acţiona si el ca mesager secund pentru alte procese celulare. Unul dintre acestea este activarea, împreună cu DAG, a protein kinazei C- Ca dependente şi aceasta poate fosforila diverse proteine. Un alt proces declanşat de Ca este activarea calmodulinei care poate apoi interacţiona cu alte proteine etc.

Fig. 25

19

4 transport membranar mg

Documents