biofizicamembranelor

Prof. dr. Valeriu RUSU MODULUL: Bazele moleculare ale proceselor de la nivelul biomembranelor în condiţii normale şi patologice

BIOFIZICA MEMBRANELOR CELULARE

I. BIOMEMBRANELE: definiţie, tipuri şi roluri fundamentale

II. MODELE ŞI METODE BIOFIZICE DE STUDIU AL BIOMEMBRANELOR

III. UTILIZAREA IZOTOPILOR RADIOACTIVI ÎN STUDIUL BIOMEMBRANELOR. APLICAŢII PRACTICE

IV. CARACTERISTICILE BIOFIZICE ALE MOLECULELOR MEMBRANARE:

V. ARHITECTURA SUPRAMOLECULARĂ A MEMBRANELOR CELULARE. MODELUL MOZAICULUI FLUID (SingerNicolson, 1972):

1) Proprietăţile biofizice ale fosfolipidelor componente ale bistratului membranar

2) Proprietăţile biofizice ale proteinelor membranare. Topografia moleculelor proteice la nivelul bistratului lipidic

1) Modele ale membranei celulare anterioare modelului mozaicului fluid

2) Descrierea modelului mozaicului fluid: reprezentare schematică şi argumente experimentale (imaginile obţinute prin criofractură în vid şi pe hibrizi celulari)


VI. PROCESE DE TRANSPORT LA NIVELUL BIOMEMBRANELOR:

1) Clasificarea tuturor membranelor (artificiale şi vii) din punct de vedere al permeabilităţii. Legile lui Fick şi factorii de care depinde difuziunea membranară a unor substanţe

2) Clasificarea proceselor de transport de la nivelul biomembranelor

3) Reprezentarea schematică a proceselor de microtransport în relaţie cu structura moleculară a biomembranelor

4) Descrierea principalelor tipuri de transport membranar: (a) Difuziunea simplă prin dublul strat fosfolipidic a

substanţelor liposolubile, datorită coeficientului de partaj

(b) Difuziunea ionilor mediată de peptide: • Ionoforii ca probă a existenţei difuziunii ionilor mediată

de peptide

• Canale ionice: punere în evidenţă, izolare, purificare, metoda patchclamp

• Tipuri de canale ionice. Caracteristici ale canalelor de Na + şi de K + . Canalele ionice în cadrul biopotenţialului de repaus şi de acţiune

• Mecanisme moleculare ale fenomenului de osmoză

• Transportori membranari de difuziune facilitată

• Transportul activ prin pompe ionice. Caracteristicile moleculare ale PATPazelor de Na + /K + , H + /K +

(protonică) şi de Ca 2+


CONCEPTUL DE SUPRAFAŢĂ CELULARĂ

1. matrice extracelulară

2. glicocalix

3. membrană celulară

4. citoschelet

COMPONENTELE CITOSCHELETULUI ŞI FUNCŢIILE SALE


MODELE GENERALE ALE STRUCTURII BIOMEMBRANEI

a) modelul “mozaicului fluid” Singer Nicholson, b) o versiune nouă “mai mult mozaic decât fluid”

Donald M. Engelman (după Nature, 438, 2005, pag. 578).

MODELE GENERALE ALE STRUCTURII BIOMEMBRANEI

c) modelul “mozaicului fluid” Singer Nicholson, d) o versiune nouă “mai mult mozaic decât fluid”

Donald M. Engelman (după Nature, 438, 2005, pag. 578).


MEMBRANA PLASMATICĂ A ERITROCITULUI UMAN

a) Micrografie electronică prin baleiaj a eritrocitelor umane.

b) Micrografie a fantomelor eritrocitare.

c) Rezultatul unei electroforeze în gel de poliacrilamidă SDS utilizată pentru separarea proteinelor membranelor eritrocitare şi a scheletului membranei.

d) Model al MP a eritrocitului observată la nivelul feţei interne citoplasmatice. Sunt reprezentate proteinele intrinseci încastrate în bistratul lipidic şi dispoziţia proteinelor periferice care constituie scheletul intern al membranei. Dimerul benzii 3 este reprezentat foarte simplificat.

e) Micrografie electronică în care se observă dispoziţia proteinelor scheletului intern al membranei.


REPREZENTAREA SCHEMATICĂ A PROCESELOR DE MICROTRANSFER

în relaţie cu structura moleculară a biomembranelor

GRADIENT ELECTROCHIMIC

TRANSPORT ACTIV

Sistemele de transport activ sunt de tip COTRANSPORT cu două alternative:

TRANSPORT PASIV

În general, sistemele de transport pasiv sunt de tip UNIPORT

energie (ATP)

transport activ (pompe ionice) prin proteine

nutrimente (molec.)

prin proteine de difuziune facilitată (carriers)

IONI substanţe liposolubile

BISTRAT LIPIDIC

direct prin bistrat

DIFUZIUNE SIMPLĂ

prin proteine canal

Transport activ de tip COTRANSPORT ANTIPORT Exemple: pompa de Na + K + , pompa de H + gastrică.

Transport activ de tip COTRANSPORT SIMPORT Exemple (transport activ secundar): cotransport simport prin gradient de Na + , al aminoacizilor.

GRADIENT ELECTROCHIMIC


De o importanţă capitală pentru toate procesele vieţii, funcţiile biomembranelor sunt numeroase. În continuare, enumerăm şi descriem pe scurt aceste funcţii. Ordinea enumerării nu se află în relaţie cu eventuala importanţă a funcţiei respective. De fapt, în realitate toate funcţiile biomembranelor sunt importante şi cel mult acestea se pot deosebi prin amploarea lor. Pentru înţelegerea datelor pe care le prezentăm în continuare este absolut necesară aprofundarea cunoaşterii fiecărei funcţii a biomembranelor. Subiectul biomembrane este extrem de important deoarece:

• nu există viaţă fără biomembrane • procesele de mebrană sunt implicate în toate procesele fiziologice • nu există boală fără implicarea directă sau indirectă a biomembranelor.

Funcţia de “barieră fizică” a celulelor şi de delimitare a compartimentelor intracelulare

Plasmalema sau membrana plasmatică (engl. – plasma membrane, fr. – membrane plasmique) separă interiorul celulei de mediul înconjurător. Acest mediu, uneori exclusiv mineral şi de compoziţie simplă, nu este în nici un caz comparabil cu conţinutul celular. Acesta din urmă este infinit mai complex prin diversitatea moleculelor sale (mai multe mii sau zeci de mii de tipuri, pentru celulele cele mai simple) care au, fiecare, o complexitate proprie, cu rol determinant în procesele celulare. De aceea, conţinutul intracelular trebuie prezervat, iar constituenţii săi nu trebuie să difuzeze liber la exterior. Lupta împotriva entropiei (adică menţinerea “ordinii stabilite”), condiţie primă a vieţii, începe cu bariera fizică, reprezentată de membrana plasmatică. Bariera membranară este însă compatibilă cu schimburi indispensabile de materie pe care celula le întreţine cu mediul (v. punctul 2). În interiorul celulelor, toate biomembranele organitelor îndeplinesc, de asemenea, acest rol de compartimentare fizică sau chimică, care se asociază cu funcţiile specifice diferitelor organite celulare (asupra organitelor se vor face referiri la disciplina de Biologie celulară).

Funcţia de schimb de materie

Această funcţie este inseparabilă de prima şi este comună aproape tuturor biomembranelor, fiind denumită adesea cu termenul generic de transport. Funcţiile de schimb de materie cele mai evidente se produc la nivelul membranei plasmatice, deoarece celulele sunt sisteme termodinamice deschise. Ca urmare, ioni minerali, mici molecule organice (îndeosebi glucoză şi aminoacizi) iar uneori chiar macromolecule tranzitează la nivelul membranei plasmatice, intra sau extracelular. Întrucât bistratul fosfolipidic al membranei este permeabil doar pentru o serie de substanţe lipofile (v. coeficient de partaj) diferitele procese de transport se produc datorită unor structuri alcătuite din proteine inserate la nivelul dublului strat fosfolipidic. Enumerate, aceste structuri proteice sunt următoarele:

canale ionice (difuziunea anumitor ioni, îndeosebi Na + , K + , Ca 2+ , Cl ), acvaporine (apă),

1

2

FUNCŢIILE BIOMEMBRANELOR


transportori proteici de difuziune facilitată (ioni, glucoză, aminoacizi etc.), pompe ionice ATPazice (Na + K + , H + K + , Ca 2+ ), receptori membranari de

transport (pentru LDL, feritină etc.). V. descrierea tuturor acestor tipuri de transport.

Funcţia de suport al activităţilor enzimatice

La majoritatea biomembranelor au fost puse în evidenţă proteine intrinseci cu funcţie enzimatică, intervenind în metabolismul intermediar sau în cel energetic. Aceste proteine se găsesc atât în membrana plasmatică a tuturor celulelor (procariote sau eucariote) ca şi la nivelul unor organite intracelulare. Proteinele enzimatice determină la nivelul biomembranelor suprafeţe active, care permit creşterea considerabilă a vitezei metabolismului. Aceasta, deoarece diversele enzime care participă la nivelul unei aceleiaşi căi biochimice se află mai apropiate în sânul aceleiaşi structuri plane, ceea ce diminuă fenomenele de difuziune ale reactivilor şi facilitează accesul la situsurile catalitice.

Întrun volum care are talia aproximativă a unei celule eucariote medii (10 μm diametru), se calculează că probabilitatea de întâlnire a unei molecule de substrat şi a unei molecule de enzimă este multiplicată de 10 până la 100 de ori când se adaugă la simpla difuziune aleatorie în trei dimensiuni o componentă de difuziune în două dimensiuni. În general, moleculele ţintă (enzimele) sunt legate la o membrană, în timp ce moleculele ce trebuie să se întâlnească cu enzimele (substraturile) sunt susceptibile de difuziune în citoplasmă, în porţiunea amorfă şi omogenă a acesteia, denumită hialoplasmă, care conţine organitele şi incluziunile celulare.

Funcţia de captură şi de transformare de energie

Graţie anumitor proteine pe care le conţin, diverse tipuri de membrane biologice sunt capabile să capteze o formă de energie fizică, lumina, pe care să o transforme fie întro altă formă de energie direct utilizabilă de celulă (energie chimică), fie întrun semnal ce induce un simplu răspuns informaţional din partea celulei sensibile (organe senzoriale). În toate cazurile, captura de energie luminoasă implică prezenţa de pigmenţi legaţi de proteinele membranare. Nivelele de energie puse în joc în aceste două procese, nu sunt, evident, identice, ca şi mecanismele moleculare care permit asigurarea fenomenelor de transformare sau de transducţie asociate în mod necesar.

Un caz particular important îl reprezintă membrana mitocondrială internă, care permite transformarea unei forme de energie chimică (cea conţinută în moleculele organice reduse) în alta, conţinută în ATP, utilizabilă în toate activităţile celulei.

Funcţia de transducţie a semnalelor şi de transfer al informaţiei la distanţă

Membrana plasmatică a fiecărei celule conţine proteine intrinseci care îndeplinesc funcţia de detecţie a unor semnale variate provenite din mediul înconjurător al celulei. Aceste proteine intrinseci aparţin marii familii de receptori membranari.

3

4

5


Orice receptor este specific pentru un anumit tip de semnal, care semnal este conţinut şi purtat de obicei întro moleculă. De aceea putem să afirmăm că un anumit receptor este specific pentru o anumită moleculă purtătoare de informaţie, denumită ligand specific deoarece doar molecula respectivă se poate lega la receptor. De aceea, orice receptor posedă un domeniu extracelular voluminos care îi serveşte ca “antenă” capabilă să recunoască şi să fixeze molecule specifice: hormoni polipeptidici, factori de creştere, proteine ale matricei extracelulare, proteine asociate la membranele altor celule etc. După fixarea ligandului la receptor la nivelul membranei este transmisă o informaţie, de regulă ca urmare a modificării conformaţiei receptorului. Acest proces declanşează o serie de reacţii în cascadă în interiorul celulei, traduse printro modificare mai mult sau mai puţin profundă a activităţii celulare, direct la nivelul metabolismului, sau, uneori, la nivelul expresiei genelor.

Se numeşte transducţia unui semnal ansamblul proceselor care contribuie depotrivă la trecerea unei informaţii de natură extracelulară prin membrană (via receptori) şi realizarea răspunsului fiziologic. În sens mai larg, transducţia reprezintă conversia unui semnal de un tip dat întrun semnal intracelular de alt tip.

În cazul celulelor nervoase, membrana plasmatică a prelungirilor denumite axoni, posedă proprietatea remarcabilă de a conduce pe distanţe lungi o informaţie sub forma unui curent electric transmembranar localizat. Acest curent electric, denumit potenţial de acţiune, se propagă de la corpul celular la extremităţile sinaptice. Această proprietate a membranei este determinată de canalele ionice (v.).

Funcţia de recunoaştere şi de aderenţă între celule

Celulele organizate în ţesuturi prezintă legături directe unele cu altele. Legăturile se realizează prin intermediul unor proteine intrinseci membranare care constituie structuri denumite joncţiuni intercelulare ca şi datorită unor proteine denumite de aderenţă. Joncţiunile celulare pot fi strânse (etanşe) în acest caz membranele celulelor fiind foarte apropiate (acolate) sau comunicante (deschise). Joncţiunile comunicante, aflate la nivelul membranelor celulelor învecinate, permit trecerea liberă de la o celulă la alta a unor molecule având o masă moleculară de până la 1200 Da. Este cazul unor nutrimente (glucoză, aminoacizi, nucleotide) sau a unor molecule sau ioni având rol de mediator sau de mesager intracelular (AMPciclic, ioni de Ca 2+ ). Aceasta înseamnă că joncţiunile comunicante membranare permit nu numai asigurarea unei cooperări metabolice, dar şi o coordonare a activităţilor sau a răspunsurilor celulare la stimuli precum hormonii.

De asemenea, membranele celulelor aparţinând aceluiaşi ţesut sunt purtătoare a numeroase molecule care asigură o recunoaştere reciprocă specifică. În fine, în cea mai mare parte a ţesuturilor animale sau vegetale, celulele sunt în contact printrun constituent extracelular format din macromolecule secretate (proteine şi polizaharide) denumit matrice extracelulară. Date asupra acestor structuri vor fi prezentate la Biologie celulară.

6


“It was a simple question that we tried to answer, when

Bert Sakman and my self made attempt to record

singlechannel currents in the early 1970s. What are the

molecular mechanisms underlying the electrically and

chemically induced permeability changes in excitable

tissue: ion channels or other kinds of transporters? Our

attention was focused on the “traditional” excitable cells:

nerve, muscle neuroendocrine. We did not anticipate

that in channels are found in basically any cell type

and they mediate an incredible variety of

regulatory functions. Even less would we have

anticipated that mutations in channels are the basis

of a whole range of disorders”.

Erwin Neher, Profesor de Biofizică, laureat Nobel Medicină – 1991 (în prefaţa la monografia „CHANNELOPATHIES”, Edited by F. LehmannHorn and K. JurkutRott, Elsevier, Amsterdam, 2000)


În cele ce urmează prezen tăm o sinteză asupra caracteristici lor cele mai generale ale canalelor ionice, p roteine intrinseci ale membranei celu lare de importanţă capitală în aproape toate funcţiile din organismul uman. Canalele ionice reprezintă un subiect interdisciplinar, adică la stud iu l acestora participă majo ritatea disciplinelor fundamentale, îndeosebi fiziologia, bio fizica, biologia celulară ş i biologia moleculară. În această sinteză de date, după cum se va observa, prezentăm caracterist icile canalelor ionice în optica fiecăreia din cele 4 direcţii de cercetare. Din reunirea acestor date rezultă definirea de ansamblu a canalelor ionice.

Canalele ionice (CI) sunt proteine care formează pori prin membranele celulare. Orice canal prezintă două stări, închis şi deschis. Deschiderea CI permite trecerea pasivă a ionilor, prin gradient electrochimic. Ca urmare, CI permit şi controlează fluxul transmembranar pasiv de ioni şi au roluri preponderente în numeroase funcţii celulare: excitaţie, transmisie sinaptică, transducţia informaţiei, secreţie şi contracţie. Alături de aceste mari funcţii, în care implicarea canalelor este stabilită clar, se susţine, fără cunoaşterea exactă a modului de acţiune, intervenţia CI în diviziunea şi în diferenţierea celulară, în adeziunea şi moartea programată (apoptoză) a celulelor şi în răspunsul imunitar. Totodată, CI sunt implicate direct sau indirect în unele stări patologice ca: scleroza în plăci, mucoviscidoza, miotoniile şi anumite cardiopatii. O serie de observaţii sugerează rolul CI în procesele de cancerogeneză, în metastazele canceroase şi în unele demenţe. Deoarece se ştie că o serie de boli umane sunt consecinţa mutaţiilor unor gene codante ale CI este posibil ca şi alte boli, tulburări metabolice sau de comportament să fie consecinţa disfuncţiei CI sau ale unor mutaţii necunoscute. Bolile determinate de alterarea funcţiilor sau/şi structurii CI au fost denumite canalopatii. Este posibil ca unele canalopatii să reprezinte explicaţii noi pentru boli vechi, deja descrise. Patologia în relaţie cu CI a condus la dezvoltarea unor clase noi de medicamente având ca ţintă de acţiune CI.

CANALELE IONICE Definiţie – caracteristici

Definire – Fiziologie – Fiziopatologie


Un canal reprezintă o rezistenţă (r) la nivelul căruia se poate disipa un curent (i).

La rândul său o celulă care posedă în membrana sa N canale prezintă o rezistenţă R, astfel încât:

1/R = Σ N (1/r)

De obicei se utilizează conductanţa , care reprezintă inversul rezistenţei, ca urmare:

g = ΣNγ

unde: g = conductanţa unei celule (sau a unui fragment mare de membrană), γ = conductanţa unui canal.

Conductanţa se măsoară în who (inversul unităţii de măsură a rezistenţei, ohm) sau în Siemens (S).

Intensitatea curentului (i) traversând un canal este descrisă de legea lui Ohm transpusă la un gradient electrochimic:

Is = γs(VVs)

Iar intensitatea curentului (I) ce traversează ansamblul canalelor unuei celule este:

Is = gs(VVs)

Unde: is şi Is sunt curenţii transportaţi de un ion S, γs şi gs sunt, respectiv, conductanţele unui canal şi a celulei pentru ionul S, V este potenţialul membranar, Vs este potenţialul de echilibru al ionului S definit prin ecuaţia lui Nernst:

i

e s S

S ZF RT V

] [ ] [ log =

unde: R = constanta gazelor perfecte (8,315 JK 1 mol 1 ; a nu se confunda cu rezistenţa electrică, R), T = temperatura absolută (273 + t°C), Z = valenţa ionului S, F = constanta lui Faraday (94 489 Cmol 1 ), [S]e şi [S]i = concentraţiile extra şi intracelulare ale ionului S.

Definire – Biofizică


La temperatura de 20°C, RT/F = 25 mV.

Dacă Z = 1, Vs (în mV) este:

i

e

S S Vs ] [ ] [ log 58 10 =

Ca regulă generală, CI sunt deschise sau închise şi, ca urmare, conductanţa lor poate avea două valori, γ sau 0. Conductanţa γ este caracteristică unui anumit tip de canal, în condiţiile date de temperatură şi de mediu ionic.

Curentul care traversează un singur canal (curent elementar) se prezintă pe înregistrare ca o treaptă rectangulară şi poate fi pus în evidenţă prin metoda patchclamp:

Curentul înregistrat pe o celulă întreagă (denumit şi curent macroscopic) se prezintă ca un traseu neted (în care nu se observă curenţii elementari, corespunzători deschiderii unui singur canal). Iată cum se prezintă traseul de curent macroscopic înregistrat pe o celulă întreagă şi corespunzând activităţii a circa 600 de CI identice.

Studiul curenţilor elementari şi/sau macroscopici permite caracterizarea proprietăţilor fiziologice şi farmacologice ale CI. Ştiind că un curent care pătrunde în celulă este depolarizant şi că, invers, un curent ieşind din celulă este hiperpolarizant, cunoaşterea proprietăţilor CI permite să se înţeleagă şi să se prevadă activitatea electrică a unei celule, ca şi modificarea sa în diferite condiţii experimentale sau patologice.

1nA

Curent macroscopic

Curenţi elementari

2pA


Prima consecinţă a unei schimbări de activitate a CI este geneza unui curent şi a unei variaţii de potenţial transmembranar. Aceste efecte în cazul celulelor excitabile se propagă pe toată suprafaţa celulară, în celelalte cazuri semnalele fiind localizate doar întrun punct al celulei. În toate cazurile, o modificare de activitate a canalelor ionice se traduce, întrun timp mai lung sau mai scurt, prin schimbările concentraţiilor intra sau extracelulare. Aceste modificări de concentraţie reprezintă, în general, legături directe între CI şi funcţiile celulare. CI prin intermediul fluxurilor ionice şi/sau variaţiile de potenţial membranar sunt considerate ca vectori ai unui semnal ionic. De aceea, se înregistrează sau se studiază pe termen mediu (secunde – ore), fie modificările concentraţiilor ionice, fie consecinţele acestora: modificarea volumului celular sau a activităţilor enzimatice. Evident, în mod sistematic se ţine seama, pe de o parte, de structura şi proprietăţile CI şi, pe de altă parte, de lanţul reacţiilor fizicochimice cuprinse între modificările concentraţiilor ionice şi modificările unei anumite funcţii celulare. În plus, trebuie luate în consideraţie diferitele sisteme de transport ionic (transportori, pompe) prezente în celulă, ca şi interacţiunile acestora cu CI.

Utilizarea tehnicilor de fiziologie, biofizică şi biologie celulară permite cunoaşterea modului de funcţionare a CI şi a rolurilor acestora. Aceste studii nu furnizează, însă, date asupra structurii şi geneticii canalelor ionice. "Disecţia" CI se realizează prin tehnici de biologie moleculară: clonare, secvenţare şi mutaţie dirijată utilizând anticorpi. Totodată, prin asocierea unor tehnici de fiziologie şi biofizică se încearcă determinarea unui anumit situs al unui canal (aminoacid sau grup de aminoacizi) responsabil de o anumită funcţie. În prezent este cunoscută structura moleculară a mai multor CI, îndeosebi a celor specifice pentru Na + , K + şi Ca 2+ .

Definire Biologie celulară

Definire Biologie moleculară


ROLURILE FIZIOLOGICE ALE CANALELOR IONICE

Deşi CI reprezintă cantitativ o fracţiune mică din proteinele celulare, ele au roluri fiziologice majore şi numeroase:

în interiorul celulelor – relaţie citosol – organite, în organism comunicare celule – mediu intern

schimburi intercelulare sistem nervos releu între mediul fizic extern şi organism, prin transformarea în semnale vitale a unor fenomene fizice ca emisia unui flux de fotoni sau a unor vibraţii sonore.

ENUMERAREA ROLURILOR FIZIOLOGICE ALE CI:

1. potenţialul membranar de repaus 2. potenţialul de acţiune (succesiune de faze de depolarizare şi repolarizare)

3. conducţie 4. secreţie (exocitoză) 5. nocicepţie, olfacţie, audiţie, vedere 6. osmoreglare (volum celular şi metabolism) 7. contracţie 8. secreţie de fluide de către glandele exocrine 9. reabsorbţie a fluidelor 10. mişcări transmembranare ale moleculelor organice polare 11. mişcări transmembranare ale moleculelor organice nonpolare 12. echilibrul de sarcini electrice în compartimentele intracelulare 13. controlul activităţilor enzimatice 14. controlul căilor intracelulare de semnalizare 15. embriogeneză 16. expresia genelor 17. controlul citoscheletului 18. răspunsul la mediul fizicochimic (pH, pO2)


CANALE IONICE


CANALUL DE Na + voltajdependent

Cele 4 subunităţi formează canalul


Marile grupe de canalopatii: 1) C. ale muşchilor scheletici 2) C. ale cordului (cardiace) 3) C. neuronale 4) Alte c.

Boala ereditară Tip de canal

Gena Consecinţe clinice

Migrenă hemiplegică

ereditară

Ataxie episodică de tip 2 (EA

2)

Paralizie periodică

hipokalemică

Ataxie episodică de tip 1

Convulsii neonatale familiale

benigne

Surditate dominantă fără

sindrom

Sindrom QT lung

Paralizie periodică

hiperkalemică

Sindrom Liddle

Miastenia gravis

Boala Dent

Miotonie congenitală

Mucoviscidoză

Aritmie cardiacă

Ca 2+

Ca 2+

Ca 2+

K +

K +

K +

K +

Na +

Na +

Na +

Cl

Cl

Cl

Na + , K + ,

Ca 2+

CACNL1A4

CACNL1A4

CACNL1A3

KCNA1

KCNQ2

KCNQ4

HERG sau

KVLQT1

SCN5A

βENaC

nAChR

CLCN5

CLC1

CFTR

Numeroase

gene diferite

Migrene

Ataxie (pierderea

echilibrului şi a

coordonării)

Miotonie periodică (redoare

musculară şi paralizie)

Ataxie

Convulsii epileptice

Surditate

Vertij, moarte subită prin

fibrilaţie ventriculară

Miotonie şi paralizie

periodică

Hipertensiune

Oboseală musculară

Calculi renali

Miotonie periodică

Congestie pulmonară şi

infecţii

Ritm cardiac neregulat sau

accelerat

DISFUNCŢIILE CANALELOR IONICE DETERMINĂ

CANALOPATII


TRANSPORTORI MEMBRANARI ŞI POMPE IONICE

Canalele ionice sunt simple porţi:

trecerea ionilor de la concentraţie mare concentraţie mică, deci nu transport real , ci pasaj.

A. Proteine transportoare lipsite de activitate enzimatică

Transportorii au o selectivitate foarte variată: ioni, dar şi nutrimente celulare glucoză, aminoacizi metaboliţi neuromediatori

B. Pompe ionice cu activitate ATPazică: POMPE sau ATPaze mono sau bidirecţionale

Pompele ionice asigură numai transportul de ioni: Na + , K + , Ca + , H + .

LOCALIZARE: la nivelul plasmalemei, dar şi în membrana organitelor intracelulare; de ex.: pompa de Ca 2+ la nivelul reticulumului endoplasmic, pompa de H + la nivelul diverselor vezicule intracelulare

Restabilirea şi menţinerea asimetriei ionice se produce prin intermediul a două tipuri de proteine transmembranare:

Ioni Ion intracel. (mmol x L 1 )

Ion extracel. (mmol x L 1 )

K + 160 4 Na + 712 144 Mg 2+ 5 12 Ca 2+ 10 4 – 10 5 2 Cl 47 120

HCO3 8 2628

Asimetria ionica intre mediile extracelular si intracelular la om


TRANSPORTORII DE DIFUZIUNE FACILITATĂ

I. Transportorii ionici

1. Schimb. Na + / H + reglarea pHului intracelular. 2. Schimb. Na + / Ca 2+ îndeosebi în celulele excitabile.

3 Na + 1 Ca 2+

influx eflux

3. Cotransport Na + / K + / Cl ansa Henle. 1 1 2 reabs. Na +

II. Transportorii implicaţi în captura celulară şi în stocajul vezicular al neuromediatorilor

III. Transportorii membranari ai nutrimentelor

1. Transportorii de glucoză § cotransportul Na + / glucoză (ficat, rinichi)

§ transportori de glucoză: cele mai multe celule (492 R, 12 elice α)

2. Receptorii transportori

asialoglicoproteine LDL transferină imunoglobuline (Ig A/Ig M)

RECEPTOR LIGAND reciclat degradat reciclat degradat reciclat reciclat

transport transcelular


Endocitoza mediată de receptori a particulelor LDL (la fibroblastele în cultură) observată prin MEC (după M. S. Brown şi J. Goldstein Nobel medicină 1985): a) Coated pit – punctele negre sunt particule LDL marcate cu feritină; b) „pit” conţinând LDL feritină; c) vezicule căptuşite, conţinând particule LDL; d) particule LDL marcate cu feritină, ajunse la suprafaţa netedă a endozomului.

a) Reprezentare schematică a structurii unei particule LDL.

b) Particule LDL observate la MEC.

Cele 5 domenii ale receptorului LDL uman. R. este un dimer alcătuit din două polipeptide identice, a 839 aminoacizi.


Tipul GluT Clasa Distribuţia în organism

Afinitatea pentru glucoză

Glu T1 I eritrocite, celule endoteliale ale barierei hematoencefalice, ţesut embrionar şi fetal, placentă, creier; ubicuitar Gn

Glu T2 I ficat, intestin, rinichi, celule β pancreatice < G, fructozăn

GluT3 I creier (neuroni), endoteliu vascular cerebral > G

GluT4 I ţesut adipos, muşchi scheletic şi muşchi cardiac > G

GluT5 II colon, rinichi, testicule, microglie fructoză – n, <<G

GluT6 III creier, splină, leucocite Gn

GluT7 II ficat n.d.

GluT8 III placentă, testicule, creier, precum şi alte ţesuturi Gn

GluT9 II ficat, rinichi n.d.

GluT10 III ficat, pancreas Gn

GluT11 II muşchi scheletic şi miocard < G, fructoză – n

GluT12 III muşchi scheletic şi miocard, ţesut adipos, intestin subţire, prostată n.d.

GluT13 (HMIT)

III predomină la nivel cerebral H + mioinozitol

Molecula

GLUT


PETCT

18 F FDG


Anomalii mitocondriale in muschiul scheletic:

(a) fibre degradate rosii proliferarea mitocondriilor

Celule HeLa – primele celule umane mentinute in cultura (bolnava Henrieta Lack – adenocarcinom al uterului, 1951).

Efectul supraexpresiei polipeptidelor neurofilamentelor. Corpurile celulare ale neuronilor sunt umflate si deformate.

a)

b)

a) Celula T normala.

b) Celula T in apoptoza.

Prioni: a) normal, α b) anormal, β

Aspect microscopic al tesutului cerebral al unei persoane decedate de boala Alzheimer.

a)

b)

(b) MEC incluziuni cristaline in matricea mitocondriala.

Expresia unei proteine motrice intro celula pigmentara: a) celula normala, b) celula in care supraexpresia genei inhiba dispersia particulelor pigmentare.

a) b)

a) b)

Citoscheletul microtubular la fibroblaste in cultura: a) celule normale: b) celule transformate.


Hemidezmozomi: a) Imagine MEC: b) Schema cu relatia matricecitoschelet.

Jonctiuni etanse: a) MEC celule epiteliale adiacente. b) Reprezentare schematica. c) Criofractura. d) Microscopie electronica cu baleiaj.

Rolul proteinelor extracelulare in mentinerea diferentierii celulelor: a) celule ale glandei mamare cultivate in absenta matricei

extracelulare; b) in prezenta moleculelor matricei celulele devin normale si

sintetizeaza proteinele din lapte.


Joncţiune deschisă (gap):

a) MEC. b) Reprezentare schematică. c) Imagine prin difractie de înaltă rezoluţie.

d) Criofractură – se observă conexoni multipli.

Endocitoza particulelor LDL la nivelul fibroblastului observata prin MEC, dupa criofractura in vid: a) particule LDL la suprafata fibroblastului;

b), c) endocitoza particulelor LDL mediata de receptori (clatrinica).


Invazia unui melanosarcom metastatic (in rosu) la nivelul tesutului hepatic normal.


BIBLIOGRAFIE RECOMANDATĂ

1.V. Rusu şi colab. “Biomembrane şi patologie”, vol. I, Edit. Medicală, Bucureşti, 1988.

2.N. Voiculeţ, Liliana Puiu – “Biologia moleculară a celulei”, Edit. ALL, Bucureşti, 1997.

3.Orice tratat de Biologie moleculară a celulei în limba engleză existent la Biblioteca Centrală a UMF « Gr. T. Popa ».

4.Utilizarea bazelor de date de pe Internet accesibile prin înscrierea la Biblioteca Centrală a UMF « Gr. T. Popa ».

biofizicamembranelor

Documents