UNIVERSITATEA DE TIINE AGRICOLE I MEDICIN VETERINAR ION IONESCU DE LA BRAD IAI FACULTATEA DE ZOOTEHNIE

NICOLAE COJOCARU

BIOFIZIC

ANUL I, SEMESTRUL II

MATERIAL DE STUDIU I.D.

IAI, 2011

- 1 -

INTRODUCERE

Biofizica este acea ramur a cunoaterii care aplic principiile fizicii i chimiei precum i metode de analiz matematic i modelarea pe calculator, pentru nelegerea modului de funcionare al sistemelor biologice. In present, biofizica este o tiin molecular. Ea caut s explice funcii biologice pe baza structurii i proprietilor unor molecule specifice. Mrimea acestor molecule variaz extreme de mult: de la ~1 nm n cazul acizilor grai i zaharurilor, la 5-10 nm pentru macromolecule ca proteinele, peste 1000 nm la

amidon, la peste 10 000 000 nm (1 cm) la moleculele lungi de ADN. Aceste

molecule, singurele blocuri constructive ale organismelor vii, sunt asamblate n

cellule, esuturi i organisme ntregi prin formareaunor structuri individuale complexe cu dimensiuni de 10, 100, 1000, 10 000 nm i mai mari. Proteinele sunt asamblate n micelii de cazein n lapte, care sufer un process de agregare pentru a forma brnza; proteinele i acizii ribonucleici se asambleaz n ribozomi,fabrica care sintetizeaz proteinele; lipidele i proteinele se asambleaz formnd membranele celulare, barierele externe i interne ale celulelor; proteinele i ADN se mpletesc n cromozomi,purttorii codului genetic, .a.m.d. Biofizica explic funciile biologice prin mecanisme moleculare: descrieri fizice precise despre modul cum moleculele individuale lucreaz mpreun ca nite maini minuscule pentru a realize funcii biologice specifice.

- 2 -

I. BIOFIZIC MOLECULAR

1.1. Apa

Fluidele (gazele i lichidele) reprezint un mediu continuu, care i modific forma foarte mult sub aciunea unei fore mici Ele au coeziune molecular mic datorit cruia curg i iau forma vasului. Dintre fluide, cel mai important este apa, indispensabil vieii, cu urmtoarele roluri: -apa este solventul universal att n mediul interstiial n care se afl celulele ct i n mediul intracelular;

-apa este mediul de transport al ionilor, macromoleculelor;

-apa este agentul de eliminare a produilor de dezasimilaie n afara organismului (prin urin i transpiraie); -apa, alturi de dioxidul de carbon, st la baza procesului de fotosintez (la organismele fotosintetice);

-apa constituie un factor de amortizare a variaiilor de temperatur pentru organismele vii, iar la homeoterme evaporarea apei constituie principala form sub care se degaj cldura rezultat din catabolism, datorit conductibilitii termice i cldurii specifice mari.

In plus, apa este un protector mecanic a unor sisteme (sistemul nervos

central) i este mediul de suspensie al unor celule libere (elementele figurate ale sngelui).

1.2. Fenomene de suprafa i de contact

Fenomenele de suprafa i de contact sunt fenomenele moleculare care se produc la suprafaa de contact ntre dou faze diferite (la interfee).

1.2.1. Tensiunea superficial La suprafaa liber a unui lichid, adic la contactul dintre faza lichid i gazoas (aer i vaporii lichidului), moleculele din stratul superficial au o poziie aparte n raport cu forele moleculare care se exercit asupra lor. n timp ce o molecul oarecare din interior este atras n mod simetric (egal din toate direciile) de ctre moleculele nvecinate, o molecul din stratul superficial este supus unei

- 3 -

atracii notabile numai dinspre interior i prile laterale. De aceea, stratul de la suprafa se comport ca o membran elastic ce tinde s se strng. Se poate considera c exist o for tangenial la suprafaa lichidului care apare ca urmare a fenomenelor moleculare prezentate mai sus i care este numit tensiune superficial. Dac se aeaz un inel pe suprafaa liber a unui lichid, se poate msura o for de rezisten ntmpinat la desprindere. Aceast for este proporional cu lungimea conturului inelului, adic

F = l unde coeficientul de proporionalitate depinde de natura lichidului i este denumit coeficient de tensiune superficial. De aici rezult o relaie de definiie a coeficientului de tensiune superficial:

= F/l Unitatea de msur pentru n S.I. este 1 Newton pe metru (N/m); uniti tolerate: dyn/cm , erg/cm.

Coeficientul de tensiune superficial poate fi definit i prin relaia =W/S

unde W este energia consumat pentru mrirea (mpotriva forelor de tensiune superficial) suprafeei lichidului cu o unitate. Unitatea de msur SI corespunztoare este 1 J/m2. Coeficientul de tensiune superficial al unui lichid depinde de temperatur, iar pentru soluii de: natura solventului, natura i concentraia solvitului. n ceea ce privete influena solvitului asupra coeficientului de tensiune superficial 0 al solventului sunt posibile trei cazuri ( fiind coeficientul de tensiune superficial al soluiei): - substana dizolvat nu modific tensiunea superficial a solventului = 0 , ca n cazul soluiei de zahr n ap de exemplu; - solvitul mrete tensiunea superficial a solventului > 0, ca n cazul soluiilor apoase de electrolii; - solvitul micoreaz tensiunea superficial a solventului < 0 , ca pentru soluiile apoase ale substanelor organice polare (alcooli, acizi organici, aldehide, amine); aceste substane sunt denumite tensioactive. Tensiunea superficial determin evoluia unui sistem (corp n stare lichid) spre o stare de echilibru caracterizat printr-o energie minim: datorit acestor fore, dou picturi tind s se contopeasc; pictura mai mare care rezult,

- 4 -

avnd un raport suprafa/volum mai mic, va fi caracterizat printr-o energie de suprafa mai mic. Tensiunea superficial determin forma, n general, sferic a celulelor libere. Celula poate avea i o alt form, dar meninerea sa se face cu consum suplimentar de energie.

Unele animale (mai ales insecte) folosesc pentru susinere i locomoie proprietile elastice ale stratului superficial al apei.

1.2.2. Capilaritatea

La contactul dintre suprafaa unui solid i suprafaa liber a unui lichid, asupra moleculelor din stratul superficial al lichidului, pe lng forele de coeziune dintre moleculele sale, mai acioneaz i o for de atracie din partea peretelui solid numit for de adeziune. Ca rezultat al aciunii acestor dou fore, suprafaa liber a lichidului devine sferic n vecintatea suprafeei peretelui solid. Unghiul ntre tangenta la suprafaa lichidului ntr-un punct de contact cu peretele solid i perete poart numele de unghi de racord sau unghi de margine (). Atunci cnd rezultanta Fc a forelor de coeziune - ndreptat spre interiorul lichidului - este mai mare dect rezultanta Fa a forelor de adeziune la peretele solid, suprafaa liber a lichidului ia (n vecintatea peretelui) o form sferic convex (menisc convex); se spune c lichidul nu ud pereii vasului; n acest caz /2 < < (fig.b). Cnd Fc < Fa, lichidul ud pereii vasului, suprafaa liber a lichidului avnd o form concav (menisc concav); n acest caz 0 < < /2 (fig. a). Este posibil i situaia n care suprafaa lichidului rmne plan i n vecintatea peretelui solid; n acest caz = /2 (fig. c). Solidele udate de un lichid se numesc liofile, iar cele care nu sunt udate,

liofobe, iar cele care nu fac parte din una dintre aceste categorii, sunt indiferente.

Un solid oarecare poate fi liofil fa de unele lichide i liofob fa de altele (sticla este hidrofil i mercurofob).

a. b. c.

Fig.1. Forma suprafeei libere n zona de contact cu peretele solid

- 5 -

Datorit prezenei forelor de tensiune superficial lichidele urc n tuburi capilare liofile i coboar n cele liofobe, abtndu-se de la principiul vaselor comunicante cu att mai mult cu ct raza tubului este mai mic. nlimea pn la care urc (sau coboar) lichidele n vase capilare cilindrice de raz r depinde i de unghiul de racord i este dat de legea lui Jurin:

O coloan de lichid, ntr-un capilar, fragmentat prin bule de gaze, opune o rezisten mai mare la naintarea lichidului, deoarece trebuie nvins, n afar de fora de adeziune i tensiunea superficial ce apare la nivelul fiecrui menisc realizat de bulele gazoase.

Rolul jucat de capilaritate n lumea vie este destul de important chiar dac nu vom evidenia dect dou aspecte:

1) capilaritatea solului, factor indispensabil pentru reinerea i circulaia apei; un sol fr capilare i pierde repede apa, iar distrugerea capilaritii stratului superficial al solului - realizat prin lucrri agrotehnice - este esenial pentru a reduce pierderile prin evaporare;

2) capilaritatea, alturi de alte fore, este un factor care contribuie la ascensiune a sevei brute la plante.

Multe plante i animale secret substane hidrofobe (ceara n cazul plantelor) pentru a micora interaciunea corpului lor cu apa n exces. n mediul apos biologic, multe macromolecule de interes biologic se

prezint ca polielectrolii, expunnd mediului o serie de grupri disociate (ionizate) cum sunt: -COO-, -NH3+, -S-, -HPO42-, etc. Aceste grupri, puternic hidrofile, atrag n jurul lor molecule dipolare de ap. Dar, macromoleculele posed i regiuni cu grupri hidrofobe, nepolare (cum sunt gruprile hidrocarbonice -CH) care interacioneaz slab cu moleculele de ap, ns foarte puternic ntre ele. Din aceste motive, macromoleculele biologice, n mediu apos,

tind s se "plieze" i s se plaseze astfel nct s expun spre mediu ct mai multe grupri hidrofile i s "orienteze" spre zonele interioare gruprile hidrofobe, evitnd astfel contactul cu apa.

n general, macromoleculele se organizeaz astfel nct s ating mpreun cu solventul o energie potenial termodinamic minim; aceast tendin fizic de minimizare a energiei guverneaz att comportarea macromoleculelor biologice, ct i organizarea lor, pn la nivelul structurilor supramoleculare i al structurilor celulare.

h = 2r g cos

- 6 -

1.3. Fenomene moleculare de transport

Exist o analogie perfect ntre starea gazoas a unei substane i starea ei n soluie, moleculele unei substane dizolvate, ca i moleculele unui gaz, fiind animate de micri dezordonate. Interacionnd unele cu altele, moleculele se deplaseaz pe distane considerabile. Astfel de microprocese conduc fie la un transport nemijlocit de mas (substan) prin molecule, fie ctre un transfer indirect, de la molecul la molecul, de energie i impuls ntr-o direcie determinat. Corespunztor acestor situaii, distingem mai multe procese de transport: difuzia - transport de substan (de mas), vscozitatea (frecarea intern) - transport de impuls, conductibilitatea termic - transport de energie cinetic (de cldur).

1.3.1. Difuzia pasiv 1.3.1.1. Difuzia n gaze i lichide

S ne imaginm c ntr-un gaz care umple uniform spaiul se gsete un alt gaz, a crui concentraie, deci i densitate parial, variaz de-a lungul unei direcii (de exemplu axa Ox), adic exist un gradient de concentraie (densitate) dup aceast direcie

0 x

Aceasta nseamn c, printr-o suprafa S perpendicular pe direcia Ox, va exista un flux al moleculelor gazului al doilea, mai mare dect n sensul opus, fenomenul

constnd din ptrunderea moleculelor unui gaz printre moleculele celuilalt gaz. Acest fenomen, care are loc la gaze, lichide i solide, poart numele de difuzie (difuzie pasiv). Condiia necesar pentru producerea sa este prezena unui gradient al densitii (concentraiei) substanei care difuzeaz. Generaliznd, putem defini difuzia (pasiv) ca fiind fenomenul de variaie spontan n timp a concentraiilor componenilor unui sistem datorit micrii relative (micarea de agitaie termic dezordonat) a particulelor acestora, constnd ntr-un transport de mas i/sau de sarcin. Procesul de difuzie pasiv st la baza egalizrii spontane a diferenelor de presiune, de concentraie sau de temperatur n natur, diferene cu care este proporional viteza proceselor de difuzie.

- 7 -

1.3.1.2. Legile difuziei (legile lui Fick)

Experimentele au artat c masa transportat ca urmare a difuziei printr-o suprafa S perpendicular pe o direcie Ox, n intervalul de timp dt este dat de legea I-a a lui Fick. Forma diferenial a legii este:

)Sdtdxd-D(= dm

unde D este o constant, care depinde de natura substanei, denumit coeficient de difuzie.

Pentru lichide, de obicei, se folosete n locul gradientului densitii, gradientul concentraiei i deci se scrie:

)Sdtdxdc-D(= dm

Semnul minus are semnificaie fizic, artnd c procesul se desfoar n sensul descreterii concentraiei substanei care difuzeaz, n final concentraia acesteia devenind uniform (gradientul concentraiei devine egal cu zero). Prin coeficient de difuzie se nelege o mrime fizic numeric egal cu cantitatea de substan care strbate n unitatea de timp (viteza de difuzie - dm/dt) unitatea de suprafa perpendicular pe direcia gradientului de concentraie, la un gradient de concentraie egal cu unitatea. n SI unitatea de msur pentru D este m2/s. (D are valorile aproximative de 10-5m2/s la gaze i 10-10m2/s la ap, la 20C i 10-11m2/spentru soluii coloidale). Datorit procesului de difuzie, concentraia substanei care difuzeaz ntr-un anumit punct al spaiului variaz n timp; pe de alt parte, gradientul concentraiei la un moment dat variaz n spaiu. Legea a II-a a lui Fick leag variaia concentraiei n timp (dc/dt) de variaia n spaiu a gradientului concentraiei (d2c/dx2): viteza de variaie a concentraiei este proporional cu variaia spaial a gradientului concentraiei. Expresia sa matematic este:

dxcd-D=

dtdc

2

2

1.3.1.3. Difuzia n celule i esuturi Fenomenul de difuzie are un rol esenial pentru via. El intervine n

schimburile dintre organism i mediu, respectiv n schimburile dintre celul i mediul su nconjurtor, precum i ntre diferite compartimente celulare. n lumea

- 8 -

vie exist organe "specializate pentru schimbul prin difuzie, cum ar fi branhiile i plmnii la animale, iar la plante frunzele. La animalele inferioare, de multe ori, toat suprafaa tegumentului este adaptat la schimbul prin difuzie; paraziii interni i iau de obicei hrana pe aceast cale (dar este vorba de o difuzie prin membrane).

La interaciunea sistemelor biologice cu mediul nconjurtor, ca i ntre prile unui sistem biologic, sunt posibile n acelai grad toate fenomenele de transport. Rolul principal, ca volum de substan transportat, l joac difuzia, printre altele, ntre celul i lichidele din esuturi. n aceste procese este caracteristic faptul c difuzia are loc n lichide separate de bariere (membranele): celula separat de mediul exterior, sau pri ale celulei separate unele de altele.

c Membran permeabil c2 c1 x1 b x x2

Fig.2. Difuzia prin membrana permeabil

n cazul n care o membran permeabil pentru solvit separ dou soluii n care solvitul are concentraii diferite, gradientul de concentraie se manifest, aproape n totalitate, numai pe grosimea membranei, deoarece vitezele

moleculelor (ionilor) n membran sunt mult mai mici dect n solvent. Dac, n membran pe direcia transversal, concentraia solvitului variaz liniar cu distana, atunci gradientul concentraiei se poate scrie ca diferena concentraiilor c1 i c2 ale substanei care difuzeaz, de o parte i de cealalt a membranei, mprit la grosimea b a membranei (considerat permeabil):

bcc

dxdc 12

Putem rescrie, deci, legea I-a a lui Fick sub forma:

dmdt

= - DS c - cb

2 1

- 9 -

n cazul membranelor se definete un parametru numit coeficient de permeabilitate a membranei P, prin relaia: P = D/b

Se obine astfel relaia

care reprezint prima lege a lui Fick pentru difuzia pasiv prin membran. De multe ori, solubilitatea solvitului n solvent difer de solubilitatea

solvitului n substana din care este alctuit membrana. Presupunnd c solvitul este de r ori mai solubil n membran dect n solvent, concentraia lui n membran este de r ori mai mare dect n solvent. n acest caz legea I-a a lui Fick devine:

)( 12 ccPSrdtdm

Acest transport de substan, prin membrana permeabil, de la o concentraie mai mare ctre o concentraie mai mic (n sensul gradientului concentraiei) este un transport pasiv de substan. n sistemele biologice, ptrunderea substanelor prin membrane poate avea loc i n direcie opus gradientului concentraiei (transport activ sau difuzie constrns). Pot difuza nu numai particule neutre (atomi, molecule) ci i ncrcate electric (ioni, electroni), difuzia ultimelor depinznd nu numai de diferena ntre concentraii ci i de cmpul electric. Este util de amintit c difuzia ionilor constituie cauza apariiei biopotenialelor.

Fenomenul de difuzie prin suprafee i membrane este esenial pentru respiraie. La plante respiraia se face prin ntreaga suprafa a frunzelor, adaptate pentru schimbul de gaze prin difuzie (coeficientul de difuzie pentru CO2 este de 5

ori mai mare dect cel pentru N2 i de 2 ori mai mare dect cel pentru O2). Existena unor fluxuri de difuzie foarte mari pentru CO2 (datorit

coeficientului de difuzie mare) este important pentru biosisteme: acesta constituie produsul principal de catabolism al animalelor i al plantelor, se elimin uor din organisme, iar, pe de alt parte, este folosit ca materie prim n procesul de fotosintez, uor de preluat (prin difuzie) din aerul atmosferic.

Deasemenea difuzia intervine i n procesul de nutriie.

dmdt

= - PS(c - c )2 1

- 10 -

1.3.1.4. Clasificarea membranelor.

Membranele se pot clasifica n trei mari categorii:

- membrane impermeabile;

- membrane permeabile (la orice substan i n ambele sensuri); - membrane selectiv permeabile (permit trecerea numai a anumitor substane).

Membranele selectiv permeabile se pot grupa n dou categorii: - membrane semipermeabile (permit trecerea numai a solventului);

- membrane ireciproc permeabile (permeabile la solvii, dar numai ntr-un singur sens).

Membranele semipermeabile pot fi:

- naturale sau

- artificiale.

Membranele semipermeabile naturale pot fi:

- celulare;

- monocelulare;

- pluricelulare.

n cazul organismelor vii se ntlnesc membrane permeabile i selectiv permeabile, reprezentnd bariere biologice de complexiti diferite. Membranele biologice sunt caracterizate prin permeabiliti foarte mari pentru molecula de ap, mult mai mari dect pentru orice molecul polar (deoarece macromoleculele sale componente se afl n stri hidratate). Deasemenea, membranele biologice au permeabiliti mari i pentru alte molecule i ioni (glucoz, K+, Na+, Cl- ). Cazul special al difuziei prin membrane neegal permeabile pentru toate

substanele va fi tratat n cele ce urmeaz.

1.3.2. Osmoza direct 1.3.2.1. Presiunea osmotic. Membranele biologice nu sunt permeabile n egal msur pentru toate

substanele. De aceea ele sunt numite membrane selectiv permeabile (sau semipermeabile). Mambrana semipermeabil este o membran care las s treac prin ea moleculele solventului, dar este impermeabil pentru solvit (substana dizolvat). Dac n vasul B se pune o soluie concentrat cu solvent apa, iar n vasul A ap (sau o soluie mai puin concentrat), atunci moleculele solventului din B i din A vor ncepe s ptrund prin membrana semipermeabil (M) n vasul A i, respectiv B. Datorit diferenei de concentraie, va exista un transport net de

- 11 -

solvent (difuzie) din vasul A ctre vasul B. Ca urmare, ntre nivelele lichidelor din cele dou vase va aprea o diferen h; presiunea hidrostatic (gh) exercitat de aceast denivelare va opri acest proces. Dac nu este mpiedicat de cauze externe, fenomenul continu pn la egalarea concentraiilor. Acest fenomen poart numele de osmoz direct.

M M

A B A B h

ap soluie ap soluie

a) Momentul t=0; b) Momentul t Fig.3. Osmoza direct

Prin osmoz direct se nelege fenomenul de difuzie pasiv a moleculelor de solvent ale unei soluii printr-o membran semipermeabil. Pentru soluii nu prea concentrate, substana dizolvat se comport, n interiorul lichidului, ca un gaz ntr-un spaiu nchis. Ca i gazul, substana dizolvat are tendina de a se destinde sau de a difuza, ocupnd tot spaiul care i st la dispoziie, adic volumul lichidului. Cum moleculele substanei dizolvate nu pot depi, n micrile lor, suprafaa soluiei n care se afl, ele vor exercita asupra acestei suprafee o presiune, o mpingere (grecescul osmos = mpingere), aa cum moleculele unui gaz exercit o presiune asupra pereilor vasului n care este nchis. Volumul lichidului fiind -practic- invariabil, presiunea exercitat de substana dizolvat nu poate fi pus n eviden n afara lichidului, tot aa cum nu poate fi simit presiunea unui gaz nchis ntr-un vas cu perei groi. Presiunea pe care o exercit o substan dizolvat n interiorul unei soluii se numete presiune osmotic. Ea poate fi pus n eviden la limita de separare, cu o membran semipermeabil, a dou soluii de concentraii diferite, sau la limita de separare a unei soluii de solventul pur. Dispozitivele cu ajutorul crora poate fi pus n eviden fenomenul i care pot servi i la msurarea presiunii osmotice sunt numite osmometre.

1.3.2.2. Ecuaia presiunii osmotice n cazul soluiilor moleculare (neelectrolitice) diluate, presiunea osmotic

este egal cu presiunea pe care ar exercita-o substana dizolvat dac s-ar gsi n

- 12 -

stare de gaz (ideal), la temperatura soluiei, i ar ocupa un volum egal cu al acesteia, avnd un numr de moli egal cu cel al substanei dizolvate. n acest caz presiunea osmotic este dat de ecuaia (van't Hoff):

TRC = sau TRc =

unde: c = m/V este concentraia masic a substanei dizolvate; este masa molar a acesteia; R este constanta universal a gazelor; T este temperatura absolut a soluiei. C = n/V este concentraia molar a substanei dizolvate. Presiunea osmotic variaz direct proporional cu concentraia molar (deci cu numrul de molecule/particule din unitatea de volum) i cu temperatura absolut, nu depinde nici de natura solventului i nici de cea a substanei dizolvate. Soluia care conine un numr de particule osmotic active egal cu numrul lui Avogadro este denumit soluie osmolar. n cazul particular cnd solvitul este alctuit din molecule nedisociate, soluia osmolar este aceeai cu soluia molar. Presiunea osmotic a unei soluii osmolare este de 22,4 atm (la 0C). Ecuaia van't Hoff permite determinarea masei molare a substanelor prin msurtori relativ simple de presiune osmotic

=mRT

V

n cazul n care moleculele substanei dizolvate disociaz (soluii ionice sau electrolitice), din cauz c numrul ionilor este mai mare dect al moleculelor disociate, p este mai mare, ecuaia se corecteaz cu un factor i:

RTci sau iCRT

unde i = 1- a(1+p)

a = (nr. de molecule disociate)/(nr. de molecule dizolvate) = grad (indice) de

disociere

p = numrul de ioni n care disociaz o molecul. De asemenea, ecuaiei i se aplic corecii i pentru soluii macromoleculare

i pentru soluii mai concentrate.

- 13 -

1.3.2.3. Legile presiunii osmotice

Legile presiunii osmotice au fost deduse teoretic de ctre van't Hoff i au fost stabilite experimental de ctre Pfeffer. a) Legea Boyle-Mariotte: La creterea concentraiei c a unei soluii, crete i presiunea osmotic , dar n aa fel nct, pentru aceeai temperatur, raportul /c rmne constant. Cu alte cuvinte, presiunea osmotic a unei soluii, la temperatur constant, este proporional cu concentraia soluiei. n cazul a dou soluii ale aceleiai substane, la aceeai temperatur, raportul presiunilor lor osmotice 1 i 2 este direct proporional cu raportul concentraiilor c1 i c2:

1

2

1

2 = c

c

b) Legea lui Charles. Presiunea osmotic a unei soluii crete liniar cu temperatura:

T = t) + (1 = 00 unde 0 i sunt presiunile osmotice la 0 C i respectiv la temperatura t C. c) Legea lui Avogadro: volume egale de soluii diferite care au aceeai presiune osmotic i se gsesc la aceeai temperatur, conin acelai numr de molecule de substan dizolvat. Dac asupra unei soluii mai concentrate se exercit din exterior presiuni mari, atunci moleculele de solvent traverseaz membrana, n mod forat, de la soluia mai concentrat , la soluia mai puin concentrat. Fenomenul se numete osmoz invers i are aplicaii n desalinizarea apei de mare, concentrarea sucurilor naturale;

1.3.2.4. Celula vie ca sistem osmotic.

Dou soluii ideale, de molaritate egal, au aceeai presiune osmotic; se spune c soluiile sunt izoosmotice.

n cazul celulelor vii, membranele fiind selectiv permeabile, trebuie s se in seama numai de acea parte a presiunii osmotice datorat moleculelor pentru care membrana este impermeabil. Aceast fraciune a presiunii osmotice este denumit tonicitate.

- 14 -

Din punct de vedere osmotic, o soluie poate fi fa de alta, izotonic (are aceeai cu cealalt), hipertonic (are mai mare dect cealalt) sau hipotonic (are mai mic dect cealalt).

Din motivul menionat anterior, dou soluii izoosmotice desprite printr-o membran selectiv permeabil nu sunt, de obicei, i izotonice.

Exemplu. Considerm o soluie apoas de 0,5M zaharoz + 0,5M uree, separat printr-o membran permeabil la uree, dar nu i la zaharoz, de o soluie apoas de 1M zaharoz (fig.A). Soluia din compartimentul 1 este izoosmotic cu soluia din compartimentul 2 i este hipotonic fa de cea din 2 (sau, soluia din 2 este hipertonic fa de cea din 1).

Dac soluia din stnga rmne aceeai iar n dreapta membranei se afl o soluie 0,5M de zaharoz (fig.B), soluiile din compartimentele 1 i 2 sunt izotonice, dar soluia din 1 este hiperosmotic.

Fig.4. Tonicitatea In general, tonicitatea este mai mic dect presiunea osmotic (max 10-12

atm.). Celulele plantelor i ale unor microorganisme pot rezista la astfel de presiuni deoarece, pe lng membrana plasmatic, mai prezint o membran rigid. Celulele animalelor nu posed un perete rigid; ele pot rezista acestor presiuni prin mecanisme de reglare a tonicitii care constau n excesului de ap i a unor substane.

Dac soluia de conservare a celulelor este hipotonic, apa ptrunde prin membran producnd umflarea cu ap (turgescena) frunzelor. Tonicitatea nalt a citoplasmei celulei vegetale este implicat, alturi de capilaritate, la ascensiunea sevei brute. Dac procesul continu, ns, se poate produce citoliza.

Atunci cand sngele este introdus ntr-o soluie mai diluat, apa ptrunde n i se produce turgescena. Dac membrana eritrocitar nu este suficient de rezistent, aceasta se poate distruge i iese hemoglobina.Dac soluia este

MSP MSP 0,5M zaharoz 1M zaharoz 0,5M zaharoz 0,5M zaharoz 0,5M uree 0,5M uree 1 2 1 2

A B

- 15 -

hipertonic, apa intracelular tinde s prseasc celula, ceea ce duce la fenomenul de plasmoliz. In cazul hematiilor, acest fenomen se numete ratatinare.

Din punct de vedere al adaptrii la mediu organismele pot fi: homeoosmotice (menin aceeai presiunea osmotic) sau poikilosmotice. La animalele marine nevertebrate (poikilosmotice) echilibrul osmotic variaz dup condiiile exterioare. Pe msura urcrii pe scara animal, organismul capt independen osmotic, presiunea osmotic mentinndu-se constant cu ajutorul unor mecanisme de reglare.

Meninerea n corpul organismelor vii a unor soluii de diferite concentraii i presiuni osmotice este absolut necesar; cnd echilibrul osmotic se stric, se produc dezechilibre i chiar moartea. Petii de ap srat, introdui n ap dulce sufer un dezechilibru osmotic grav la nivelul branhiilor.

1.3.3. Vscozitatea

Curgerea fluidelor reale este puternic influenat de interaciunile ntre straturile concentrice de fluid i ntre fluid i pereii tuburilor prin care acesta curge. Aceste interaciuni determin apariia unor fore de frecare intern dintre straturile de fluid sau ntre stratul de fluid n contact cu peretele solid al conductei

i pereii conductei. Fluidele la care se manifest astfel de fore de frecare se numesc fluide vscoase iar fenomenul se numete vscozitate.

Fig.5. Curgerea laminara a unui fluid

ntre straturile concentrice diferite apare o variaie de vitez, (gradient de vitez) n direcie perpendicular pe direcia de micare. Dac se noteaz cu S aria comun a suprafeelor de contact a dou straturi vecine, fora de frecare intern va fi (legea lui Newton):

SdxdvF

- 16 -

Factorul de proporionalitate este coeficientul de vscozitate dinamic. Unitatea de msur n sistemul internaional este decapoisul (daP) = 1 Kg/m.s

Vscozitatea depinde de natura fluidului i de temperatur. Pentru ap aceasta scade dup o lege exponenial. Atunci cnd, n timpul curgerii unui lichid printr-un tub, straturile de lichid

concentrice cu tubul sunt paralele inele fa de altele, curgerea este numit laminar; n caz contrar curgerea este turbulent.

Dac un fluid vscos curge laminar printr-un tub cilindric subire, iar curgerea este staionar (viteza diferitelor straturi de fluid este constant n timp i depinde numai de distana fa de axa tubului debitul volumic de lichid este:

StVQ

De aici se obine n final expresia:

4218

RlppQ

(legea Hagen-Poiseuille).

unde: p1 - p2 este diferena de presiune ce produce curgerea, l este lungimea tubului, R este raza tubului cilindric prin care are loc curgerea laminar, -coeficientul de vscozitate dinamic al lichidului; (

lpp 21 ) reprezint gradientul

presiunii (variaia presiunii lichidului pe direcia de curgere). Conform legii Hagen-Poiseuille debitul unui fluid printr-un tub cilindric

este direct proporional cu puterea a patra a razei tubului i cu gradientul presiunii. Legea este aplicabil i n cazul curgerii sngelui prim vasele capilare,

Proporionalitatea cu puterea a patra de raza capilarului a debitului sngelui are consecine fiziologice. Distribuia sngelui n diferitele pri ale corpului este reglat cu ajutorul musculaturii netede din pereii arterelor. Prin contracia musculaturii netede din pereii arteriali, controlat pe cale neurohormonal, raza vasului se micoreaz, ceea ce determin o reducere foarte puternic a debitului, adic se realizeaz o reglare eficace a debitului.

1.3.3.1. Lichide nenewtoniene. Curgerea sngelui prin vasele sangvine.

Lichidele care nu respect legea lui Newton se numesc lichide nenewtoniene. Soluiile coloidale i cele macromoleculare sunt lichide nenewtoniene. Pentru aceste soluii coeficientul de vscozitate dinamic nu mai este o mrime constant, ca n cazul lichidelor newtoniene, ci depinde de

- 17 -

concentraia particulelor dispersate: KV 10 (legea lui Einstein).

unde 0 este coeficientul de vscozitate al mediului de dispersie, V volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensiei iar K este o constant care depinde de natura i mrimea particulelor dispersate.

Din punct de vedere al curgerii (reologic), sngele este o suspensie de

elemente figurate n plasm, adic este un lichid nenewtonian; cele mai importante elemente figurate sunt globulele roii (eritrocitele) care reprezint aprox. 97%. Plasma sangvin conine sruri anorganice i molecule organice mici. Eritrocitele posed o membran flexibil n care se gaseste o solutie apoasa aproape saturat de hemoglobin. Ele au forma de discoid biconcav cu un diametru de aproximativ 8m i o grosime de circa 2m. In sngele normal eritrocitele formeaza agregate care contin 6-10 celule sub forma unor rulouri.

Vscozitatea sngelui depinde de vscozitatea plasmei, de hematocrit (raportul

procentual dintre volumul elementelor figurate i volumul total al sngelui), de deformabilitatea eritrocitelor. Coeficientul de vscozitate al sngelui este o funcie neliniar de hematocrit; la animale diferite, vscozitatea sngelui are valori diferite pentru specii diferite, funcie de constituie i de modul de via i de starea de sntate a organismului.

Coeficientului de vscozitate dinamic relativ a sngelui depinde de raza tubului capilar. Dependen a coeficientului de vscozitate de raza capilarului este cunoscut sub numele de fenomenul Fahraeus Lindqvist. Dependena aceasta indic faptul c, la pomparea sngelui prin vasele capilare cu diametre extrem de mici, inima efectueaz un lucru mecanic mult mai mic pe care trebuie s-l efectueze inima, care au diametre foarte mici (5m ), este mult mai mic.Sngele

venos este mai vscos dect cel arterial deoarece sngele venos conine CO2 , motiv pentru care volumul celulelor elementelor figurate este mrit (vezi legea lui Einstein).

Creterea vscozitii sngelui, determinat factori externi, determin creterea efortului inimii pentru meninerea unui debit de snge constant, ceeace atrage dup sine o cretere a tensiunii arteriale; expunerea ndelungat la frig excesiv determin creterea vscozitii sngelui, iar vasoconstricia capilar ce o nsoete, poate provoca stagnarea circulaiei periferice, care duce la apariia degerturilor.

- 18 -

1.3.3.2. Numrul lui Reynolds. La viteze mici de curgere, straturile de lichid se deplaseaz paralel unele

fa de altele, lichidul are o curgere laminar. Curgerea laminar se ntlnete n cazul tuburilor avnd raza mic, aa cum sunt de exemplu vasele capilare.

Dac viteza de curgere a lichidului vscos depete o anumit valoare (vitez critic), sau raza tubului se mrete, curgerea laminar devine instabil, n fluid apar vrtejuri, curgerea devine turbulent.

Pentru caracterizarea regimurilor de curgere, se utilizeaz numrul lui Reynolds, definit de raportul,

vrRe

unde r este raza tubului, v este viteza de curgere, este densitatea fluidului i coeficientul de vscozitate dinamic.

Pentru sngele din arterele mari se poate stabili caracterul curgerii astfel: Re< 1000 curgerea este laminar 1000 < Re < 2000 curgerea este nestabil Re > 2000 curgerea este turbulent (cu vrtejuri

Numrul lui Reynolds mai poate fi definit ca raportul ntre forele de inerie i forele datorate vscozitii;la numere Reynolds mari, sunt dominante forele de inerie,iar la numere Reynolds mici predomin forele vscoase. Obiectele mici, aflate ntr-un mediu fluid, sunt afectate ntr-o foarte mare msur de antrenarea, prin frecare, a mediului n care se deplaseaz.

In cazul organismului uman, apariiei turbulenei este posibil acolo unde viteza sngelui are valoarea cea mai mare, adic n aort. Sngele are o curgere laminar, cu excepia unor zone din vecintatea valvulelor cardiace unde nchiderea i deschiderea lor produce viteze de curgere ridicate, fapt care conduce la apariia zgomotelor cardiace.

REZUMAT Apa fluidul indispensabil vieii; rolurile apei n organismele vii. Tensiunea superficial: comportarea deosebit a suprafeei libere a unui lichid, coeficientul de tensiune superficial, influena solvitului asupra coeficientului de tensiune superficial al soluiei, importana tensiunii superficiale. Capilaritatea: forma suprafeei libere a unui lichid la contactul cu un perete lichid, unghiul de racord, rolul capilaritii n lumea vie. Difuzia pasiv: ce este difuzia, condiia necesar pentru producerea fenomenului de difuzie, coeficientul de difuzie, legile difuziei, difuzia n celule i esuturi, clasificarea membranelor. Osmoza direct: presiune osmotic, ecuaia presiunii osmotice, legile presiunii osmotice, tonicitatea, celule vie ca sistem osmotic. Vscozitatea: curgerea lichidelor newtoniene, curgerea sngelui prin vasele sangvine, dependena coeficientului de vscozitate de raza capilarului, numrul lui Reynolds.

- 19 -

II. BIOFIZICA MEMBRANELOR BIOLOGICE

2.1. Introducere

Dei nu toi cercettorii sunt de acord cu natura fundamental a membranelor i nici mcar cu o definiie unic (n Liteanu pag.365 sunt prezentate mai multe definiii), toi sunt de acord c membranele sunt implicate n procese fundamentale legate chiar de existena vieii. Urmnd teoria lui Albert Szent-Gyorgyi, se consider c nelegerea fenomenelor vieii poate s progreseze printr-o nelegere a mecanismelor fluxurilor de electroni n sistemele organice de baz (fotosinteza i respiraia) i c aceste sisteme, la rndul lor exist datorit compartimentrii din interiorul celulei. Fr aceasta nu ar exista organite i, bineneles, celula. Dei compoziia chimic a membranelor prezint, prin ea nsi, interes, sunt cu mult mai incitante caracteristicile dinamice ale membranelor, (ca

semipermeabilitatea) i funciile sale (ca transportul activ i transportul facilitat). Pentru studiul acestor proprieti a fost dezvoltat un model relativ nou: membrane artificiale sintetizate sub form de dublu strat lipidic (BLM). Straturile duble lipidice sunt compuse din lipide naturale sau sintetice meninute n mod artificial ntre dou medii apoase. Cu ajutorul tuturor acestor modele se pune la punct o teorie coerent a structurii membranei. Cei mai muli dintre specialitii n membrane consider c n mod esenial membranele sunt lipide n suspensie fluid ntre dou faze apoase (interiorul i exteriorul celulei), n timp ce proteinele sunt apoi ataate la acest strat dublu lipidic. Totui, unii cercettori consider c matricea proteic a membranei este fixat i d esena membranei. Apoi, la substratul sunt ataate lipidele datorit tendinelor lor hidrofobe sau hidrofile. Acest ultim punct de vedere ar explica natura mai structurat a membranelor celulare polare, care nu par s se comporte n mod strict ca fluide. Cercetrile asupra membranelor artificiale (membrane prezentate pe larg n Liteanu) au avansat n mod semnificativ prin adiia unor componente membranare extrase din sisteme biologice, componente care au provenit din

extracte cerebrale, membrane de cloroplaste i mitocondrii, apoi colesterol oxidat i un numr mare de surfactani. S-au putut crea n laborator membrane artificiale

- 20 -

destul de complexe i care pot mima aproape toate calitile membranei celulare, dar ele sunt lipsite de activitate metabolic i nu prezint o selectivitate la fel de ridicat ca cea a membranelor biologice. In sfrit. fiziologii au studiat i studiaz fluxul ionilor prin membrane; nici o descriere a membranelor nu ar fi complet fr discuii asupra osmozei, difuziei, transportului activ i difuziei facilitate.

2.2. Membrana celular Membrana reprezint trstura structural esenial a tuturor celulelor i reprezint att frontiera celulelor ct i a sistemelor intracelulare mai mult sau mai puin elaborate. Pe sau n interiorul membranelor se desfoar multe procese biochimice. Considerate n trecut ca structuri statice cu rolul principal de simpl delimitare a frontierelor celulelor i a organitelor subcelulare, n prezent aceste membrane sunt privite ca structuri foarte dinamice eseniale pentru multe procese diferite.

Membrana care nconjoar celula este numit membran citoplasmatic (sau plasmalema sau membran plasmatic). Ea nchide citoplasma, partea intern a celulei, i formeaz o barier selectiv care menine integritatea chimic a celulei. Acasta se realizeaz prin procese de transport pasiv i activ prin membrana care este selectiv, nu numai ca vitez a micrii ctre interior sau exterior, dar i n ceea ce privete identitatea moleculelor care intr sau prsesc celula (excludem aici, i n cele ce urmeaz, alte ci de aspirare n interiorul celulei, endocitoza, fagocitoza, pinocitoza).

Astfel, membrana citoplasmatic a celulei poate fi privit ca o parte funcional a unei celule vii. Acest mod de a o privi este ntrit de faptul c sistemele de membrane interne n unele celule apar ca fiind continuri ale membranei citoplasmatice. In acelai timp, pentru a se explica variaiile ale permeabilitii, ale funciilor i aspectelor, trebuie s existe o mare varietate a compoziiilor moleculare detaliate ale membranelor. Aceast variabilitate i are originea n marea varietate a proteinelor i lipidelor care formeaz structura membranei.

2.3. Funciile membranei Membranele servesc ca bariere selective n jurul celulelor i al organitelor

celulare; ele formeaz canale de comunicaie n interiorul celulei; multe procese biofizice i biochimice necesit existena membranelor.

- 21 -

Rolul membranelor de a izola, de a compartimenta un volum anumit de

substan este unul principal: plasmalema izoleaz citoplasma de mediul extracelular, tonoplastul separ sucul vacuolar de hialoplasm, membranele organitelor separ stroma (matricea) lor de citoplasm. ~n acest mod se formeaz, ntr-o aceeai celul vie, un numr mare de "compartimente" n care starea chimic a materiei vii este bine particularizat i ntre care se pot desfura reacii chimice i fluxuri de substane n sensuri opuse, de o parte i de alta i pe direcia transversal a membranelor. Acestea prezint o impermeabilitate relativ determinat de natura i structura stratului dublu lipidic i a pturilor proteice. 72. In general, se pot defini trei tipuri de funcii ale membranei (71 p.29). Prima, ca frontier a celulelor i organitelor celulare, creaz i menine o compoziie chimic definit n interior, compoziie care poate fi cu totul diferit de mediul nconjurtor exterior. Ele fac acest lucru n mod continuu printr-o combinaie de difuzie pasiv selectiv i un transport activ (consumator de energie) selectiv prin membran. Multe detalii ale mecanismelor prin care se realizeaz transportul de material prin membrane nu sunt nc bine cunoscute. In organite celulare, cum ar fi reticulul endoplasmatic, membranele servesc i drept canale de comunicaie. In plus, ele sunt implicate n mod activ n procese ca endocitoza i exocitoza. A doua, membranele pot constitui baza pe care se desfoar transformri chimice rapide care necesit o aprovizionare eficient cu reactani i o evacuare eficient a produilor i a deeurilor. Cu membranele sunt, sau asociate, sau parte integrant, o varietate de sisteme enzimatice. Aceste sisteme nu numai c dirijeaz transportul ionilor i/sau moleculelor, ci i viteza diferitelor recii biologice. Deasemenea, o parte substanial a reaciilor conservatoare de energie din sistemele biologice necesit membrane. In al treilea rnd, membranele se pot prezenta ca izolatori electrici n jurul

extensiilor fibroase (numite axoni) ale unor celule nervoase. O astfel de izolaie se regsete la unele celule nervoase de vertebrate i este numit teac de mielin. Ea i are originea din celule satelite (numite celule Schwann) care se nfoar ele nsele, pe durata stadiilor de dezvoltare, n jurul axonului.Astfel, ntreaga

membran citoplasmatic a celulelor Schwann formeaz o structur elaborat care servete unei funcii specifice legat de o alt celul, neuronul. Teaca de mielin reprezint o demonstraie a flexibilitii membranelor, a modului n care aspectul acestora se modific n acord cu o funcie specific.

- 22 -

Un alt exemplu l constituie aspectul de stiv al poriunilor de membran n form de discuri plate n cazul celulelor bastonae din retin i al granelor cloroplastelor din celula frunzei. O trstur comun a acestor stive de membrane este aceea c ele conin sisteme receptoare de lumin.

2.4. Compoziia i structura molecular a membranei celulare In prezent exist doar foarte puine dubii asupra faptului c la baza structurii tuturor membranelor st dublul strat fosfolipidic. Totui, membranele biologice sunt mult mai complexe dect nite simple straturi duble; n afar de fosfolipide, ele conin i alte componente. In general, pe lng lipide, se gasesc cantiti substaniale de proteine. In plus, fiecare preparat de membran conine pe lng lipide i proteine cantiti minore (10% sau mai puin) componente de hidrai de carbon (majoritatea zaharuri). O parte dintre aceti carbohidrai sunt ataai lipidelor formnd glicolipidele. Glicolipidele au ramuri hidrofobe dar terminaia lor hidrofil este compus dintr-o varietate de zaharuri legate mpreun ntr-un lan liniar sau ramificat numit oligozaharide. Ele constituie numai o fraciune minor a membranei i pare s fie obligatoriu legat de monostratul exterior. Funcia lor biologic nu este nc cunoscut. Alt parte este ataat proteinelor. Nici rolul biologic al acestor glicoproteine nu este destul de sigur.

Alt substan lipidic dect fosfolipidele este colesterolul, component important a unui numr de membrane, ca cele ale celulelor roii i teaca de mielin.

2.4.1. Proteinele membranare

Proteinele din structura membranei se mpart, dup modul n care sunt legate de membran, n dou mari categorii. Prima categorie cuprinde proteinele periferice slab legate de membran prin interaciuni electrostatice. Ele pot fi separate de membran prin tratamente relativ slabe i sunt stabile n soluii apoase fr vreo legtur strns cu materialul lipidic (de ex., citocromul c, o enzim activ n transferul de electroni din procesul de conversie a energiei n mitocondrie). O alt categorie cuprinde proteinele integrale care sunt ncastrate n membran, adesea traversnd-o n ntregime. Separarea lor de membran este mult mai dificil, necesitnd un tratament cu solveni organici; dup izolare, n general pstreaz o legtur cu materialul lipidic. Fr lipide, n mediu apos, au tendina de agregare.

- 23 -

Fig..6. Aranjamentul proteinelor membranare: a) proteine integrale parial n membran;

b) proteine transmembranare integrale; c) proteine formatoare de canale

Figura de mai sus prezint schematic tipurile de aranjamente ale proteinelor membranare. Este raional de presupus c proteinele periferice interacioneaz cu membrana prin contact mai degrab cu proteinele integrale dect cu lipidele. Proteinele integrale au o mare varietate de forme. Una dintre

forme este cea de spiral n form de bar numit -helix; aceast form o poate avea o parte din protein sau ntreaga molecul. Alte forme sunt mai compacte i sunt ndoite una peste alta formnd o structur globular. Exist o mare varietate de structuri posibile nglobnd aceste forme i, ca urmare, proteinele pot avea proprieti i comportri foarte diferite. Aceste proprieti se reflect n secvena de aminoacizi a proteinelor membranare. Dac o protein conine o regiune cu aminoacizi predominant hidrofob, aceast regiune este, cel mai probabil, localizat n interiorul dublului strat lipidic. Zonele cu reziduuri hidrofile ies n afara stratului. Astfel, proteinele care traverseaz ntregul strat dublu trabuie s posede o regiune hidrofob central. Astfel de proteine sunt numite proteine transmembranare. Alte proteine integrale, care sunt localizate la una dintre

suprafee, au o coad hidrofob ancorat n membran. Datorit fluiditii laterale a dublului strat lipidic, proteinele localizate n membrane se pot deplasa n planul membranei ca particulele ntr-o soluie sau ntr-o suspensie. Proteinele pot flota, n mod individual sau mpreun, dac sunt asociate cu alte proteine. Ele pot forma oligomeri mai mult sau mai puin simetrici, structuri elicoidale sau structuri cvasiplanare. In prezent, structura

cuaternar in situ a proteinelor membranare nu este bine cunoscut, dar este o problem prioritar n cercetrile asupra membranelor. De un interes deosebit este

- 24 -

posibilitatea existenei canalelor prin membran, cauzate de o singur protein cu un gol n structur sau de mai multe proteine care mrginesc o cavitate central. Aceste canale ar permite transportul de substan pentru care stratul dublu este impermeabil.

2.4.2. Structura membranei.

Inc din 1935 Danielli i Dawson au propus modelul unitar al membranei biologice. Membrana unitar este constituit de un dublu strat lipidic, cozile hidrofobe ale lipidelor fiind orientate ctre interiorul membranei i capetele lor gsindu-se la suprafa unde acestea intr n interaciune cu straturile proteice monomoleculare exterioare.

Modelul unitar a suferit mai multe modificri. In prezent, cel mai satisfctor este considerat modelul mozaicului fluid propus de S.Singer i Nicolson. Modelul este ilustrat schematic n figura 2. Caracteristicile comune ale

"membranelor unitare" conform acestui model ar fi:

a) Elementul esenial structural este constituit de stratul dublu de molecule lipidice, practic, impermeabil pentru toate moleculele polare, n special pentru ioni, n afar de ap. Dublul strat lipidic formeaz o matrice fluid cu grosimea de aprox. 60 pn la 80 n care sunt implantate diferitele proteine integrale. Moleculele de

fosfolipide sunt capabile de micri laterale libere (rotaie, translaie, difuzie) foarte rapide (2 m/s); micrile de la o fa la alta sunt mult mai rare. b) De fiecare parte a stratului dublu lipidic se afl proteine care pot fi etalate n pturi dar, cel mai adesea, sunt globulare, alipite sau inserate n matricea lipidic. Unele dintre aceste proteine sparg ambele fee ale membranei, altele numai una dintre ele; n primul caz ele controleaz sau efectueaz transport transmembranar. Proteinele conin i seciuni hidrofobe i hidrofile i se echilibreaz termodinamic ele nsele n partea corespunztoare a dublului strat lipidic. La scar mare o protein poate fi distribuit aleator, dar la scar mic poate exista o distribuie specific pentru o anumit protein. Se produc micri laterale, mai lente dect cele ale lipidelor, dar este deasemenea posibil ca proteina s se poat roti n jurul unor axe, ori paralel, ori perpendicular fa de planul dublului strat. Astfel de micri pot fi eseniale pentru unele dintre funciile membranei. c) Membranele biologice unitare sunt asimetrice: feele intern i extern conin compui chimici diferii, crora le corespund activiti biochimice specifice diferite.

- 25 -

d) Toate membranele biologice provin din membrane preexistente. Ele

cresc prin intercalarea de noi molecule lipidice i proteice n snul celor existente.

Fig.7. Modelul mozaicului fluid

Fenomenele de membran sunt dominate de canale, proteine membranare intrinseci specializate pentru a permite i a controla micarea solviilor prin porii apoi ce traverseaz membrana. Porul mic apos (

- 26 -

b) Din punct de vedere al mecanismului de transport , acesta poate fi:

transport pasiv care se face n sensul gradientului de concentraie, pentru moleculele fr sarcin electric i n sensul gradientului electrochimic pentru cele ncrcate cu sarcin electric

transport activ care se face mpotriva gradientului de concentraie cu aport energetic din exterior ( cu consum de ATP).

Transportul activ poate fi o transport activ primar o transport activ secundar o translocaie de grup

Microtransferul pasiv se poate face pe urmtoarele ci: o difuzie simpl - prin stratul dublu lipidic o difuzie facilitat o prin canale ionice

Macrotransferul se realizeaz prin: o transport direct al macromoleculelor o transport prin vezicule

Transportul prin vezicule, la rndul lui poate fi: o endocitoz, transportul are loc spre interiorul celulei care

este :

- fagocitoz - pinocitoz-dependent de receptori - independent de receptori

o exocitoz (transportul se realizeaz din citoplasm spre exterior)

o transcitoz(veziculele strbat toat celula, dintr-o parte n alta)

Datorit faptului c se admite c transportul se realizeaz n cea mai mare parte prin proteine de transport, transportul se mai poate clasifica i dup numrul speciilor de substane ce pot fi transportate.

c) Dup numrul speciilor de substane ce pot fi transportate transportul poate fi:

uniport-cnd este transportat prin membran o singur substan cotransport-dac transportul unei substane este cuplat cu al altei

substane

- 27 -

Cotransportul poate fi de dou feluri: o Simport - dac trecerea ambelor substane se realizeaz n

acelai sens o Antiport - dac trecerea ambelor substane se realizeaz n

sensuri opuse

2.6. Canale ionice Dac ionii ar trece prin membranele celulare doar prin difuzie-solubilitate,

atunci viteza lor de difuzie ar fi extrem de mic. Sodiul, potasiul, Ca, protonii, ionii bicarbonat sunt toi foarte necesari celulelor i intr i ies foarte rapid din celul. S-a gsit c fluxurile rapide de ioni trec prin canale care sunt molecule proteice. Canalele ionice sunt proteine, sunt specifice pentru un anumit tip de ioni i prezint caracteristicile enzimelor: energie redus pentru transportul substanelor i pot fi blocate, etc. Difuziunea prin canalele ionice de deosebete de cea facilitat desi i aceasta este mediat tot de proteine care faciliteaz transportul. Viteza de transport este mult mai mare dect n cazul difuziei facilitate i, n plus, nu exist saturaie.

Transportorii de tipul valinomocinei pot transporta circa 10 ioni/s n timp ce prin canale pot trece cica 10 ioni/s. Studiul canalelor s-a fcut folosind un antibiotic care omoar bacteriile gram-pozitive, denumit gramicidin. Ea acioneaz ca un ionofor, care are afinitate pentru cationi. Exist o literatur bogat privind canalele ionice; din pcate ns exist i numeroase aspecte care nu sunt nc elucidate

Cel mai simplu model de canal ionic este un por cilindric de seciune uniform care se extinde prin membrana celular, selectand printre ioni, n principal datorit mrimii deschiderii porului. Apar ns aspecte neelucidate legate de permeabilitatea pentru ioni cu sarcini diferite i de selectivitatea fa de ioni de aceeai sarcin.

Canalele ionice au o proprietate particular:prezint dou stri moleculare alternative:

permit (prin deschidere) trecerea ionilor opresc (prin nchidere) trecerea ionilor

Trecerea canalelor dintr-o stare n alta se produce aleator. Canalele ionice sunt, n acelai timp, i bariere de selectivitate i bariere de permeabilitate.

REZUMAT Membrana plasmatic i funciile sale n celula vie. Modelul mozaicului fluid. Transportul de substan prin membran. Canale ionice

- 28 -

III. BIOENERGETIC

3.1. Introducere

Pentru a obine energie, fiecare organism trebuie s interacioneze cu mediul su nconjurtor, i n multe cazuri acioneaz chiar asupra sa, aa cum o fac oamenii. Niciun organism nu poate supravieui dac este izolat de mediul su nconjurtor.

Una dintre caracteristicile materiei vii este aceea c o celul este nvelit ntr-o membran - membrana plasmatic- component dinamic a acesteia. In cele ce urmeaz vm considera numai anumite proprieti transmembranare ale membranei plasmatice, inornd multe alte roluri (de ex., de contact celular, etc.).

Membranele vii, acizii nucleici i enzimele au rol central n sistemele vii, dar pot fi privite ca obiecte de studiu capabile de existen i de activitate independent de vreo asociere cu substana vie. Acest lucru nu este posibil n cazul membranei: nu exist, deocamdat, nici o membran care s poat fi sintetizat n laborator i care s se comporte la fel cu membranele produse de celule, nici nu este posibil ca membranele naturale s-i pstreze proprietile lor funcionale dac sunt separate de contextul celular! Problema membranei este una dintre problemele centrale ale biofizicii.

Una dintre proprietile principale ale membranei este aceea de a servi ca barier, nu numai ntre coninuturile diferite ale celulei i mediul nconjurtor, ci i ntre diferitele compartimente din interiorul celulei. Cea dinti problem const n ncercarea de a determina efectivitatea acestei bariere fa de trecerea substanelor diferite.

3.2. Efectivitatea barierei

Efectivitatea barierei reprezint cantitatea, dintr-o anumit substan, care strbate bariera n unitatea de timp; aceast cantitate este fluxul J. Determinrile experimentale ale fluxurilor unor substane diferite prin membrane celulare (de ex., cu trasori radioactivi) dau o varietate de rezultate care

nc nu sunt toate explicate. Contribuia difuziei este descris de legile lui Fick

- 29 -

mt

const cx

. i

ct

D cx

2

2

Deci, pentru a descrie difuzia este posibil fie s se determine D i s se prevad rezultatele, fie s se utilizeze msurtori de flux pentru a deduce valoarea lui D. Experimente numeroase aratat c multe substane, pentru care membrana celular este permeabil, nu respect ecuaia difuziei simple. In multe cazuri fluxurile sunt exact opuse celor la care ne-am atepta conform ecuaiei difuziei. De exemplu, ionii de K se acumuleaz n celul atunci cnd concentraia K n celul poate fi de 100 de ori mai mare dect concentraia sa n exteriorul celulei.

3.3. Metode analitice

Imposibilitatea evident a ecuaiei difuziei de a descrie transportul prin membrane a determinat eforturi pentru gsirea unor metode analitice de rezolvare a problemei. Au fost sugerate trei aproximaii generale:

(i) o aproximaie bazat pe ecuaia Nernst-Planck ce reprezint baza investigrii micrii sub influena unei diferene de potenial electric (sau electrodifuzie);

(ii) o aproximaie bazat pe formalismul termodinamicii proceselor ireversibile;

(iii) o aproximaie ce deriv din teoria lui Eyrin a vitezelor de reacie. Trebuie spus c niciuna dintre aceste metode nu d toate rspunsurile. Aproximaiile bazate pe ecuaia Nernst-Planck sau pe ecuaiile termodinamicii proceselor ireversibile au n comun mrimi legate de forele care sunt prezente n sistem.

Aproximaia Nernst-Planck In aproximaia Nernst-Planck, fluxul este dat de o expresie de forma

Fluxul = Mobilitatea x Concentraia x Fora sau

J = cF unde este mobilitatea molar pe unitatea de for. Deoarece orice for poate fi reprezentat ca gradientul ce semn negativ al unui potenial

gradF este posibil sau s specificm direct fora sau s o descriem n termenii unui gradient de potenial corespunztor. Forele implicate ar fi:

- 30 -

o for datorat variaiei potenialului chimic prin membran; intruct multe substane sunt presupuse libere s deplaseze n diferitele compartimente ale celulei I sunt prezente n concentraii mici fa de ap, aceast for corespunde gradientului concentraiei, dc/dx;

o for corespunztoare gradientului potenialului electric, dV/dx; o for corespunztoare gradientului presiunii, dp/dx. Dup transformarea lor aa nct toate cantitile s se exprime n aceleai

uniti, fora total ar fi: RTc

dcdx

v dpdx

zN dVdxF

unde NF este numrul lui Faraday i v volumul specific. Aceast suma se ia cu semnul - i se egaleaz cu gradientul negativ al unui potenial introdus pentru a reprezenta fora net I numit potenial electrochimic. Astfel:

J cRTc

dcdx

vRT

dpdx

zNRT

dVdx

F

1.

Evident, prevederea valorii fluxului plecnd de la aceast ecuaie necesit cunoaterea efectiv a condiiilor n care are loc transportul membranar. Plecnd de la aceast ecuaie se poate obine ecuaia I-a a lui Fick (pentru o substan neutr electric, n absena unui gradient de presiune, concentraia prin membran variind liniar). O alt abordare, aproximaia bazat pe formalismul termodinamicii proceselor ireversibile (Onsager) este mai rafinat ntruct permite s se in seama de posibilitatea ca toate fluxurile s fie corelate cu toate forele care acioneaz. Presupunerea central in aceast aproximaie este divizarea variaiei entropiei n dou pri, una datorat proceselor interne din celul I alta, proceselor externe.

3.4. Transportul prin membrane

Procesele de transport sunt parte integrant a funciei biologice. De ex., procesele de conversie a energiei necesit o alimentare continu a substraturilor I o depunere a produselor i deeurilor. Caracteristica structural prin care celulele i ndeplinesc funciile lor pare s fie compartimentarea; compartimentarea este realizat de membrane i acolo se realizeaz un transport de substan prin canale mrginite de membrane (de ex., reticulul endoplasmatic i aparatul Golgi), transportul selectiv se realizeaz chiar

- 31 -

prin membrane. Prin transport pasiv i activ este meninut constant, n limite nguste, integritatea chimic n interiorul compartimentelor celulei i organitelor celulare, furniznd condiii optime pentru procesele vieii. Prin transport pasiv nelegem difuzia n sensul gradientului termodinamic; transportul activ reprezint micarea solvitului mpotriva gradientului termodinamic. Ultimul cere o surs de energie I mecanisme de cuplaj ntre energie I transport. Selectivitatea este o consecin a permeabilitii membranei nsei, adesea determinat de mecanismul molecular particular de transport.

In celule sau n organitele celulare pot fi gsite mari diferene de concentraii ale solviilor (cu sau fr sarcin electric) ntre interiorul I exteriorul veziculelor nconjurate de membrane, chiar cnd membrana este

permeabil la astfel de solvii. Exist situaii in care un gradient de concentraie al unui solvit, cu sau fr sarcin electric, poate fi meninut n echilibru; aceasta se intmpl atunci cand membrana are caracteristici semipermeabile. Este vorba de echilibrul

osmotic (difuzia simpl), echilibrul ionic (electrodifuzia) i de echilibrul Donnan, toate tratate n cele ce urmeaz.

3.4.1. Echilibru osmotic

Fig.8. Echilibrul osmotic

Considerm o membran care separ dou compartimente I i II. Compartimentul I conine un solvent S iar compartimentul II un solvit A dizolvat n solventul S. Membrana este permeabil numai pentru solvent. Moleculele solventului tind s se mite din cmpartimentul I ctre compartimentul II datorit

I II

S S+A

- 32 -

diferenei de concentraie. Micarea net, la echilibru este contrabalansat de apariia unei presiuni n compartimentul II. Calculnd variaia energiei libere Gibbs G la p=const i T=const. n presupinerea c solventul este practic incompresibil, i inand seama c la echilibru G = 0, se obine pentru diferena de presiune ntre cele dou compartimente

p p RTv

xII Is

sII ln

n care este presiunea osmotic, vs este volumul molar al solventului, xsII este fracia molar (nr. de moli de solvent/nr total de moli de solvent i solvit). De aici, pentru soluii diluate se poate obine ecuaia vant Hoff. Astfel presiunea osmotic poate fi privit ca un fenomen care mrete potenialul chimic al solventului n soluie pn la valoarea celui al solventului pur.

O situaie similar exist atunci cnd substana dizolvat este ncrcat cu sarcin electric.

3.4.2. Echilibru ionic

Presupunem c membrana semipermeabil separ dou compartimente I i II ce conin soluii ale unui electrolit K+A- de concentraii diferite i c membrana este permeabil numai pentru ionii de un semn, de ex., pentru cationii K+. Calculnd variaia energiei libere Gibbs G, i inand seama c la echilibru G = 0, se obine ecuaia lui Nernst:

II Ik

KI

KII

RTz F

cc

ln

sau

extk ext

RTz F

cc

int intln

in care reprezint potenialul electric. Deci, diferena de potenial electric ntre cele dou compartimente este proporional cu logaritmul raportului a dou concentraii. Pentru cationi z > 0 aa nct potenialul electric este mai mare pe partea mai diluat a membranei. Este atins echilibrul deoarece apariia potenialului electric de partea mai diluat a membranei mrete potenialul electrochimic al soluiei in compartimentul mai diluat pn la acela al soluiei mai concentrate din cellalt compartiment.

- 33 -

Dac membrana este permeabil numai la anioni situaia va fi invers. Este de observat c n fiecare compartiment este respectat legea neutralitii electrice deoarece nu poate fi detectat vreo diferen de sarcin electric (sau deplasare de sarcin); este evideniat numai o diferen de potenial electric ntre cele dou compartimente. O astfel de d.d.p. este deseori numit potenial de difuzie (deoarece ea rezult dintr-o difuzie aparent a ionilor de un semn prin membran). Invers, dac este aplicat un camp electric membranei permeabile la ionii de un singur semn, i dac membrana separ dou compartimente, fiecare coninnd soluii ale ionului, concentraia ionului la echilibru este dat de ecuaia lui Nernst:

V V RTz F

cce i k

i

e

ln

3.4.3. Echilibru Donnan

Echilibrul Donnan este un caz particular de echilibru ionic. In acest caz, la

echilibru exist un potenial electric chiar cnd membrana este permeabil pentru ioni (relativ mici) de ambele semne. Acest lucru se realizeaz atunci cand unul dintre cele dou compartimente separate de membran conine, pe lng o sare pentru care membrana este permeabil, o molecul mare (de ex., o protein) ce poart o sarcin electric net, pentru care membrana nu este permeabil.

Fig.9. Echilibrul Donnan

Presupunem c, compartimentul I conine o soluie a unui electrolit simplu monovalent K+A- i c compartimentul II conine o soluie a aceluiai electrolit, mpreun cu sarea unei proteine P, cu concentraia cp, care poart sarcina net zp. Membrana care separ cele dou compartimente este permeabil peentru ambii ioni ai electrolitului.

I II

K+ K+

A- A-

Pzp

- 34 -

S presupunem n plus c exist o presiune osmotic corespunztoare, astfel nct potenialul chimic al solventului s fie egal in ambele compartimente. La echilibru, variaia energiei libere, cnd un mol de electrolit simplu este transportat dintr-un compartiment in altul, este zero. Dac ignorm efectele mici ale diferenei de presiune asupra potenialelor standard ale srii n cele dou compartimente, atunci rezult

cc

cc

rKI

KII

AII

AI

Raportul r este numit raport Donnan. Legea neutralitii electrice impune c, n compartimentul I,

c cKI

AI

i n compartimentul II,

c c z cKII

AII

p p Urmeaz c

rcc

cc z c

AII

KII

AII

AII

p p

2

Aceast ecuaie ne arat c dac sarcina net a proteinei este negativ (zp

- 35 -

3.5. Mecanisme (modele) de transport Difuzia este, bineneles, implicat n transportul prin membra; este de ateptat ca, n mediul vscos reprezentat de stratul dublu lipidic, coeficientul de mobilitate al substanelor n soluie s fie mic. Pe de alt parte, membrana are o structur de pori. Prin astfel de canale poate trece solventul (apa) i pot difuza solviii care au moleculele destul de mici ca s treac. Selectivitatea canalelor fa de semnul sarcinii ionilor poate fi explicat presupunnd c aceste canale sunt structurate ca specii ionice de un semn dat; canalele pot s acioneze ca schimbtoare de ioni. Ca urmare a studiilor de transport al dizaharidelor prin membranele bacteriilor, s-a imaginat mecanismul de transport prin purttor (engl.: carrier). Rezultatele studiilor au condus la ideea c transportul dizaharidei este efectuat de o enzim ce a fost denumit permeaz. Aceast enzim pare a fi o enzim indus; ea este sintetizat ca rspuns la prezena substratului su. O interaciune ntre o molecul sau un ion care este obiectul transportului i o substan din interiorul fazei membranare poate fi un fenomen mai general dect termenul specific sugerat de permeaz; mecanismul cu purttor poate juca un rol important n fenomenele de transport biologic.

3.5.1. Mecanismul de transport prin transportor (purttor) 3.5.1.1. Asocierea chimic Caracterul specific al reaciilor enzimatice se datoreaz interaciunilor necovalente strnse ntre enzim i substrat care conduc la formarea unui complex substrat - enzim. Astfel, n sistemele de transport biologic, se poate postula existena unei substane, n interiorul fazei membranare, care s aib o mare afinitate pentru speciile de transportat. Interaciunea conduce la o asociaie i complexul rezultat poate difuza prin membran.

Fig.10. Transportul cu purttor

1 Membran 2

A + T AT AT T + A

- 36 -

O substan A este legat de un purttor (transportor) T, cu care formeaz un complex AT. A singur este prost solubil n faza membranei i de aceea aici este foarte puin prezent A; complexul AT poate difuza uor prin membran. Pentru simplitate, presupun c acest complex este neutru electric. Dac reacia ntre A i T este rapid fa de viteza de difuzie a complexului AT, reacia va continua aproape de echilibru.

3.5.1.2. Transport activ

Multe membrane transport molecule sau ioni din regiuni cu concentraie mic ctre regiuni cu concentraie ridicat. Acest transport mpotriva gradientului termodinamic poate fi realizat numai cnd este cuplat cu un proces furnizor de

energie. Nici simpla difuzie prin membran sau pori, nici mecanismul cu transportor prin ele nsele nu pot explica aceast translocaie prin transport activ. Nu este prea dificil, totui, s se extind conceptul de transport prin asociere chimic pentru a postula un mecanism care s funcioneze. Substana purttoare T, n acest caz, poate fi convertit de la o configuraie T cu afinitate mare pentru substana A, la una cu afinitate mic, T, i invers. Aceast conversie poate fi o alterare chimic sau7 numai o modificare conformaional. Este esenial ca aceast conversie, ntr-un sens, s fie cuplat cu o reacie generatoare de energie. Complexul AT, ca i configuraia cu afinitate mic, T, pot difuza prin membran.

Afinitate mare

pentru A

Fig.11. Transport activ

1 Membran 2

Difuzie

A + T AT AT T + A Energie mare

Difuzie

T T Energie mic c1 c2 Afinitate mic c2 > c1 pentru A

- 37 -

Vizualizat, procesul ar putea fi urmtorul: la suprafaa 1, din configuraia cu afinitate mic, T, se formeaz configuraia cu afinitate mare T; atunci, substana A se leag de T, furnizat continuu prin conversie din T. T difuzeaz ctre suprafaa 1 deoarece concentraia sa este mai mare la suprfaa 2 ca rezultat al conversiei continue a lui T n T la suprafaa 2. Procesul are un caracter ciclic i este evident c nu se poate desfura dect dac este condus de o reacie furnizoare de energie. O astfel de reacie poate conduce fie conversia lui T n T la suprafaa 2, fie conversia lui T n T la suprafaa 1. Exist dovezi experimentale circumstaniale care sugereaz c mecanismele cu purttor pot opera n sistemele vii. Dar, trebuie spus c transportul total observat prin membrane biologice nu este rezultatul unui singur

mecanism ci, n general, rezultatul mai multor mecanisme care se desfoar simultan.

Exemplu.

Energia necesar pentru transportul activ i are originea n reacii din celul care sunt asociate cu producia de ATP (acid adenozintrifosforic); ATP rezult din ADP (acid adenozindifosforic) i acid fosforic anorganic provenit din mediu.

3.6. Procese de transformare a energiei

3.6.1. Sursa de energie

Cum este furnizat celulelor energia necesar? La cel mai fundamental nivel, energia este furnizat de lumina solar, care dirijeaz fotosinteza n cazul plantelor, i prin ingerarea i ruperea moleculelor organice complexe, n mare parte prin reacii de oxidare, n cazul animalelor. Diferite bacterii pot, nu numai s realizeze astfel de reacii, ci i s obin energie din reacii simple anorganice. Distinciile fcute mai sus nu sunt absolute. De ex., cnd nu este disponibil lumina, plantele triesc pe seama energiei ce provine din oxidarea molecdulelor organice sintetizate pe durata perioadei fotosintetice. De asemenea,

este corect ca fotosinteza s fie privit ca cel mai fundamental proces pentru viaa animalelor, datorit limitelor metabolice ale celulelor animale. Dei celulele animale pot sintetiza, dac li se furnizeaz toate zaharurile necesare, majoritatea acizilor grai, toi steroizii cu excepia vitaminei D (vitaminele sunt sintetizate de plante i microbi, dar nu de animale), toate purinele i toate pirimidinele, ele nu pot sintetiza 10 aminoacizi eseniali; bineneles, plantele pot.

- 38 -

Astfel procesul iniial pentru, s zicem, un mamifer, este s preia nite molecule organice foarte mari proteine, polizaharide i grsimi neutre n canalul alimetar n care acestea pot fi rupte (descompuse) n aminoacizi,

monozaharide, acizi grai i glicerol i absorbite n sistemul circulator. Important este faptul c toat energia liber produs n aceast descompunere se transform n cldur. Variaia energiei libere F este cea care dirijeaz metabolismul; de la nceput pn la produs F este negativ i obinuit mare. O valoare mare pentru F garanteaz c reacia se va desfura i c produii vor fi >>dect reactanii. Totui, nu spune nimic despre viteza reaciilor n care, evident, intervin enzimele.

Odat produii de descompunere intrai n sistemul circulator, acetia pot s nceap a fi procesai pentru a face energia disponibil; aceast energie este necesar pentru procese de la deplasarea ionilor i moleculelor n transportul activ, pn la contracia muscular. Energia este deasemenea stocat n forma unor compui insolubili, ca amidonul i glicogenul, compui care trebuie s fie prelucrai nainte ca energia s devin disponibil. La animalele superioare i la plante, primul pas transform depozitele n zaharuri solubile; apoi acestea sunt distribuite celulelor. La nivel

celular, zahrul este oxidat pentru a produce H2O, CO2 i energie.

3.6.2. Procesele din organismele vii

Procesele desfurate n organismele vii sunt rareori consumatoare directe de energie care s fie imediat disponibil celulei. Mai ntotdeauna, aceste procese sunt dirijate de energia ce provine dintr-o surs intermediar, care este hidroliza ATP:

ATP + H2O ADP + H3PO4 + G G=-7 kcal/mol. Datorit rolului central al ATP, problema transformrii energiei a fost dominat de studiile proceselor prin care energia preluat poate fi utilizat pentru producerea ATP.

Bineneles, hidroliza ATP nu elibereaz, simplu, energie. Acest lucru nu ar conduce la lucru util ci doar la generarea de cldur. Reacia de hidroliz este cuplat ntr-un anumit mod cu procesul celular care necesit energia. De exemplu, formarea unei legturi la construcia unei proteine necesit o energie liber G=1/2 kcal/mol, energia liber a hidrolizei ATP va garanta c echilibrul procesului este modificat puternic ctre formarea legturii.

- 39 -

Mai general, se poate reprezenta procesul prin care celula utilizeaz energia hidrolizei ATP printr-o ecuaie schematic de forma

ATP + X ADP + X~P + G n care X este un compus activat de ctre ATP, dar, de fapt, nu este exact cunoscut cum se desfoar un astfel de transfer de energie. ATP este produs prin procese diferite n sisteme biologice diferite. Se

cunosc patru procese distincte:

Reacii de oxido-reducere care se desfoar pe membrana intern a mitocondriilor n conexiune cu respiraia celular;

Procesele fotosintetice din plantele verzi, care se desfoar pe membranele granei din cloroplaste.

Reacii care se produc pe membranele interne ale bacteriilor n conjuncie cu metabolismul bacterian

Reacii dirijate de lumin localizate n cromatoforii bacteriilor fotosintetice.

Este semnificativ faptul c toate aceste procese sunt asociate cu o membran. Pe lng asta, putem mpri procesele de mai sus n dou grupe: o grup depinde de respiraie, adic, de disponibilitatea oxigenului; cealalt grup este fotosintetic, adic condus de lumin. Membranele sunt mediatori ntre energia chimic, n forma ATP, i energia

electric sub forma potenialului de membran ia circulaiei ionilor.

3.6.3. Procesul din mitocondrie Complexitile i incertitudinile din problema ATP mitocondrial se extind i asupra fotosintezei. Ambele procese, vom vedea, mpart un lucru semnificativ, pe lng legtura cu membrana.

Cel mai simplu aspect al rezultatului mitocondrial este c Glucoz + Oxigen Dioxid de carbon + Ap + Energie

Sau

C6H12O6 + 6O26CO2 + 6H2O + H=672 kcal/mol.

De fapt, aceast ecuaie nu este tocmai corect, i pentru a vedea de unde vine ATP, ar trebui scris

C6H12O6 + 6 H2O + 6O26CO2 + 12H2O + H=672 kcal/mol Deoarece, n procesul respiraiei celulare, este nevoie de o molecul de ap

pentru a utiliza fiecare atom de carbon din glucoz. Acum fiecare pereche de

- 40 -

atomi de H care devine subiectul unui proces necunoscut al sistemului de citocromi mitocondrial furnizeaz energie pentru formarea a trei molecule de ATP. Astfel, mitocondria este o uzin energetic care n mod esenial arde hidrogen pentru a produce ap. Pornim cu 12 perechi de H i avem 3 ATP pentru fiecare pereche, aa c fiecare molecul de glucoz face 36 molecule de ATP.

3.6.4. Procesul din cloroplast Acum se poate face conexiunea cu fotosinteza, deoarece ecuaia de mai sus este, n mod obinuit cunoscut ca ecuaia lui van Niel pentru fotosintez:

6CO2 + 12H2(X) h C6H12O6 + 6 H2O + 12(X) unde (X) poate fi oxigen, sulf, sau o molecul organic. Plantele verzi, n care procesul este desfurat de cloroplast, reprezint sistemul cu oxigen ca (X) i deci putem scrie

6CO2 + 12H2O h C6H12O6 + 6 H2O + 6O2. Cnd este menionat fotosinteza s-ar spune c se consum CO2 i se

produce O2. Deoarece numrul de moli de O2 produi este egal cu numrul de moli de CO2 consumat, este natural de ghicit c CO2 este combustibilul care furnizeaz O2. Dar nu este aa! O2 provine din descompunerea H2O, fapt uor pus n eviden prin marcarea oxigenului din ap cu trasorul radioactiv O18. In plantele superioare, mecanismul fotosintetic se afl n cloroplaste, structuri compuse dintr-un complex de membrane numite lamellae. Membranele formeaz saci nimii tilakoide; membranele lamellae sunt grupate pentru a forma o unitate numit grana. Fiecare grana este separat de celelalte de o stroma. Procesul de fotosintez este, ca i formarea ATP n mitocondrie, un proces asociat cu o membran. Tilakoidele sunt membranele critice i ele conin moleculele de pigment care reprezint absorbanii luminii incidente. Se cunoate c spectrul de absorbie al moleculelor organice este, uzual, mai puternic n ultraviolet dect n alte regiuni. Moleculele de pigment cum ar fi clorofila, absorb puternic n vizibil deoarece conin un compus inelar particular caracteristic de porfirin. Ataat de acest inel se afl un lan CH care are cellalt capt ancorat n membran. Exist 7 tipuri de clorofile. Ln plantele superioare, o contribuie la absorbia luminii o au i carotenoizii. Benzile de absorbie ale cclorofilelor sunt n rou i albastru iar ale carotenoizilor n albastru. Alte sisteme fotosintetice au molecule de pigment diferite i absorb n diferite regiuni de lungimi de und. Ce valoare are energia minim pe care trebuie s o furnizeze o molecul de pigment? Energia liber Gibbs necesar pentru a conduce reacia este de aproximativ

G = 116 kcal/mol 1,2 eV

- 41 -

Energia unui mol de fotoni la maximul de absorbieal clorofilei n banda rou (h cu 430-460 nm n domeniul rou) este

G = 41 kcal i la maximul de absorbie n albastru ( 670 nm)

G = 65 kcal. Deci, trebuie s fie absorbii aprox. 2 fotoni pentru fiecare mol de dioxid

de carbon procesat. Cu alte cuvinte, au loc probabil dou evenimente fotosintetice. Aceasta este problema central; ntr-un mod oarecare energia absorbit de fotoni poate fi fcut accesibil pentru lucru. Sistemul care ndeplinete acest lucru este unitatea fotosintetic, un complex molecular care include aprox. 300 molecule de clorofil. Cnd un foton este absorbit de una dintre acestea, molecula trece din starea fundamental ntr-o stare excitat. Durata tranziiei este de ~10-15secunde. Dac fotonul este din domeniul rou, molecula trece n prima stare excitat (singlet); dac este din domeniul albastru, n a treia stare excitat (singlet). Singura tranziie util, pentru fotosintez, este una n care este transferat energia primei stri excitate i devine disponibil pentru efectuarea lucrului fotochimic. In figura urmtoare este schematizat absorbia luminii de ctre o molecul de pigment i sunt nfiate tranziiile posibile.

Proces Fluorescen Fotochimic Fosforescen Excitaie

Starea fundamental Fig.12. Absorbia luminii de ctre o molecul de pigment i tranziiile posibile.

Al treilea singlet excitat

Al doilea singlet excitat

Primul singlet excitat Primul triplet

excitat

- 42 -

Reacia total a fotosintezei cuprinde dou procese diferite distincte: primul este fotochomic i al doilea biochimic; ele reprezint aa-numitele reacii de lumin i de ntuneric.

La o alt scar, un foton de lumin capturat de clorifil face ca aceast molecul s realizeze un proces numit separare de sarcini libere. In acest proces, de molecula de clorofil este separat un electron (e-) i este trecut, la o energie mai mare, unei molecule de purttor (transportor), convertind energia fotonului n energie chimic. Electronul pierdut de ctre clorofil este nlocuit prin ruperea unui electron din molecula de ap. Acest proces este denumit fotoliz, i este sursa de oxigen gazos. Reacia fotolitic poate fi descris prin ecuaia:

H2O 2H+ + 2e- + 1/2O2 Dou astfel de separri de sarcini libere, numite fotoacte, sunt conectate n serie. Se formeaz compusul bogat n energie adenozin trifosfat (ATP), prin adiia unui grup fosfat anorganic (Pa) la nolecula de adenozin difosfat (ADP), i electronul i pierde energia. Acest proces este denumit fotofosforilare, i poate fi descris printr-o ecuaie de forma:

ADP + PaATP + H2O In al doilea fotoact, compusul NADP+ (nicotinamid adenin dinucleotid

fosfat) este redus, adic primete electroni pentru a forma compusul donor de electroni NADPH:

NADP+ + H+ +2e-NADPH Compuii ATP i NADPH sunt folosii n stadiul urmtor al fotosintezei, reacia de ntuneric. In natur, pentru fiecate zece fotoni absorbii, se formeaz dou sau trei molecule de ATP i dou molecule de NADPH. Aceasta nseamn o eficien a conversiei energiei de aprox. 38%. In reacia de ntuneric, ATP i NADPH formate n reacia de lumin sunt folosite pentru a transforma dioxidul de carbon anorganic (CO2) n compui organici de carbon, proces numit fixarea carbonului. Procesul este un ciclu

biochimic i implic zaharul difosforibuloza (RuDP) i CO2; rezultatul este zaharul trioz fosfat (TP). Reacia este favorizat, sau catalizat de ctre enzima ribuloz difosfat carboxilaz/oxigenaz (RuDiCO). Reacia poate fi descris prin ecuaia:

RuDP + CO2 RuDiCO 2TP Apoi ciclul regenereaz RuDP printr-o serie complex de reacii. Zaharurile produse prin aceste reacii sunt utilizate pentru sinteza de carbohidrai

- 43 -

superiori, proteine i grsimi, hrana plantei, ce este la captul produilor de fotosintez. Enzimele controleaz viteza cu care se produc diferiii pai ai procesului fotosintetic. Viteza fotosintezei depinde i de condiiile de mediu cum ar fi intensitatea luminii, temperatura i disponibilitatea dioxidului de carbon, a apei i a unor minerale.

REZUMAT

Membrana ca barier. Aproximaie Nernst-Planck. Transportul prin membrane: echilibrul osmotic, echilibrul ionic, echilibrul Donnan. Mecanismul transportului prin transportor pentru transportul pasiv i pentru transportul activ. Transformarea energiei n organismele vii: procesul din mitocondrie (respiraia celular) i procesul din cloroplast (fotosinteza).

- 44 -

IV. TERMODINAMIC BIOLOGIC

4.1. Principiul zero. Temperatura 4.1.1. Parametri de stare, grade de libertate Prin sistem termodinamic se nelege un ansamblu de corpuri care ocup

mpreun un volum oarecare i care pot fi izolate sau n contact. Pentru ca un sistem (corp) s poat fi studiat din punct de vedere

termodinamic este necesar ca acesta s fie omogen, adic proprietile sale macroscopice s fie aceleai pe toat ntinderea sistemului (corpului). Starea unui astfel de corp la un moment dat poate fi caracterizat complet, din punct de vedere termodinamic, printr-un numr finit de parametri numii parametri de stare.

Numrul minim al parametrilor de stare ai unui sistem care pot fi variai n mod independent constituie numrul gradelor de libertate ale sistemului.

Un corp n echilibru termodinamic i poate modifica starea datorit interaciunii cu mediul exterior. Aceast interaciune poate fi de natur mecanic, electric, magnetic, schimb de substan, etc. Experiena arat c starea unui corp poate fi modificat i pe cale termic. Se spune c interaciunea se realizeaz prin contacte de tipuri diferite: contact mecanic, electric, magnetic, schimb de substan, etc. i contact termic.

Fiecare tip de contact reprezint o posibilitate de transformare a strii corpului. Se poate stabili o legtur ntre numrul de contacte i numrul gradelor de libertate.

Postulat (1). Numrul gradelor de libertate ale unui corp izotrop n stare de echilibru termodinamic este egal cu numrul maxim de contacte care se pot realiza, n starea dat, ntre corp i mediul nconjurtor (fr a fi modificat starea de echilibru). Parametrii de stare ai corpurilor unui sistem termodinamic se pot mpri n dou mari categorii: a) parametri intensivi sau de contact, care se caracterizeaz prin faptul c au aceeai valoare pentru toate corpurile unui sistem termodinamic n echilibru puse n contact ( de ex., presiunea); b) parametri extensivi sau de capacitate, care se caracterizeaz prin aceea c valoarea parametrului pentru sistem este egal cu suma valorilor parametrului fiecrei pri din sistem (de ex., volumul).

- 45 -

4.1.2. Temperatura empiric Dac se consider un sistem, izolat de mediul nconjurtor, format din

corpuri izolate ntre ele, ntre parametrii de stare ai corpurilor nu exist nici o legtur, deoarece strile corpurilor componente pot varia n mod independent. Deci, n acest caz, numrul gradelor de libertate ale sistemului este dat de suma numerelor gradelor de libertate ale corpurilor componente. Realiznd, de

exemplu, contactul mecanic ntre dou corpuri ale unui sistem izolat, presiunile lor trebuie s fie egale la echilibru:

p1 = p2

Adic, prin contactul mecanic a dou corpuri se realizeaz, la echilibru, o legtur ntre parametrii de stare ai corpurilor. Prin generalizare obinem urmtoarea afirmaie.

Postulat (2). Dac dou corpuri ale unui sistem izolat sunt n echilibru, prin fiecare contact (mecanic sau termic) se realizeaz o legtur ntre parametrii de stare ai corpurilor

F12(1,2) = 0

Admind acest postulat, rezult c, prin existena unui contact termic ntre dou corpuri, numrul gradelor de libertate ale sistemului scade cu o unitate. Adic, pentru sistemul format din dou corpuri n contact termic i mecanic, existnd dou relaii datorit contactelor, numrul gradelor de libertate scade cu dou uniti. Parametrii independeni pot fi, de ex., compoziiile celor dou corpuri exprimate prin numerele de moli, iar parametrii comuni presiunea i un alt parametru intensiv termic.

Dac numrul corpurilor din sistem este mai mare ca 2, trebuie luat n consideraie o nou proprietate legat de contactul termic, proprietate introdus de postulatul urmtor. Postulat (3). Echilibrul termic are proprietatea de tranzitivitate (la fel ca i echilibrul mecanic). Adic, pentru un sistem de n corpuri n echilibru, din

Fij = 0, Fjk = 0,

Rezult Fik = 0.

Pe baza postulatelor anterioare (1-3) se ajunge la urmtoarea concluzie, denumit adeseori principiul zero al termodinamicii. Principiul zero. Exist parametrul intensiv termic, numit temperatura empiric (), cu urmtoarea proprietate: ntr-un sistem izolat format din n corpuri

- 46 -

n contact termic, condiia necesar i suficient de echilibru este ca temperatura empiric s aib aceeai valoare pentru toate corpurile. Cu alte cuvinte, dac trei sau mai multe sisteme (corpuri) sunt n contact termic ntre ele, i toate sunt n echilibru, atunci oricare dou, luate separat, sunt n echilibru cu cellalt.

4.2. Principiul I al termodinamicii 4.2.1. Clasificarea proceselor termodinamice Un corp (sistem) care trece dintr-o stare termodinamic n alta, se spune c

sufer un proces termodinamic. Procesele termodinamice se pot clasifica dup mai multe criterii; prezentm, mai jos, doar cteva clasificri mai importante.

Dup mrimea variaiei relative a parametrilor de stare: o procese difereniale - n care variaia relativ a

parametrilor de stare este foarte mic; o procese finite - n care cel puin un parametru de stare

sufer o variaie relativ mare. Dup natura strilor intermediare:

o procese cvasistatice - n care strile intermediare ale corpului (sistemului) sunt arbitrar de apropiate de stri de echilibru n cursul procesului;

o procese nestatice - pentru care strile intermediare ale corpului (sistemului) nu pot fi caracterizate complet termodinamic, deoarece corpul

(sistemul) nu este omogen.

Dac un proces este cvasistatic, deoarece toate strile intermediare pot fi considerate stri de echilibru ntr-o bun aproximaie, evoluia corpului poate fi reprezentat pe o diagram, printr-o curb. Fie un proces cvasistatic prin care un corp (sistem) trece dintr-o stare (1) n

alt stare (2); numim acest proces - proces direct. Procesul cvasistatic prin care sistemul revine din starea (2) n starea (1) pe acelai drum ca drumul direct, parcurs n sens invers, este numit proces invers. Dac un astfel de proces invers exist, se spune c procesul de trecere din starea (1) n starea (2) este reversibil. Dac nu exist, procesul este ireversibil. Procesele reale nu sunt reversibile.

4.2.2. Lucrul mecanic. Energia intern. Dac se consider un corp (sistem) care, printr-un proces cvasistatic trece din s