34

I.5.Apaînsistemelebiologice

Apaesteceamairăspândităsubstanţachimicădepeglob,acoperindpeste70%dinsuprafaţaplaneteinoastre.Eapoateficonsideratădrept„matriceavieţii”,atâtdinpunctdevedereistoriccâtşiactual,deoareceesteaproapesigurcăviaţaaapărutînmediulacvatic,căacestaafostcadruleiprimardedezvoltareşiesteevidentădependenţaşicondiţionareaoricăreiformeactualedeviaţădeprezenţaapei.

I.5.1.Importanţaapeiînsistemelebiologice

Apaconstituiesolventuluniversalatâtînmediulinterstiţialcescaldătoatecelulele,câtşiînmediulintracelularîncareaulocreacţiilechimicecaracteristicematerieivii.Apaestemediuldetransportalsubstanţelordelaunorganlaaltul(prinintermediulfluidelorcirculanteextracelulare)şideeliminareaproduşilordedezasimilaţieînafaraorganismului(prinurinăşitranspiraţie).Îninteriorulcelulelor,înafararoluluisăucamediudedispersie,apaestenecesarăpentrureacţiiledehidrolizăşiaparecaprodusfinalaloxidărilorbiologiceşialreacţiilordecondensare.Încazulplantelor,apaeste(alăturideCO2)unreactantprimarînprocesulfotosintezei.Avândconductibilitatetermicăşicăldurăspecificăfoartemari,apaconstituiefactorulesenţialde„tamponare”avariaţiilordetemperaturăîncadrulorganismelor,iarlahomeotermeevaporareaapeiconstituieprincipalamodalitatededegajareînmediuacălduriirezultatădincatabolism.Înafaraacestorfuncţiidebazăaleapeiînorganisme,maipotfienumerateşialteleca,deexemplu,aceeadeprotecţiemecanicăaunorsisteme(sistemulnervoscentral)şimediudeflotaţie(suspensie)alunorcelulelibere(elementelefiguratealesângelui,spermatozoizii).

I.5.1.1.ConţinutuldeapaalorganismelorşialţesuturilorDacăpentruformelesporulatealebacteriilorconţinutulaposestesub50%,elajunge,încazulcelenteratelor,pânăla97%,aşaîncât,despreacesteorganisme,s‐arputeaafirma,însensmetaforic,căreprezintă„apăcaretrăieşte”.Conţinutuldeapăaloricăruiorganismprezintăotendinţăconstantădescăderepeparcursulevoluţieiontogenetice,aşacumrezultădintabeluldemaijos.

Conţinutul procentual de apă al organismului uman în diferite stadii Embrion în luna: 2 3 4 5 6 Nou-născut Adult

Apă (% din masa totală) 97 94 92 85 74 67-74 58-67

Sepotdadiferiteinterpretărialescăderiiconţinutuluideapăalorganismuluipemăsuradezvoltăriiontogenetice,deexemplucorelândcustadiilefilogeneticecorespunzătoare.Deasemenea,seştiecă,pemăsuraavansăriiînvârstă,scadeintensitateaproceselormetabolice,iarapa,cacelmaidinamiccomponent,urmeazăaceastătendinţă.Corelaţiadirectăîntredinamicametabolicăşiconţinutulînapăesteilustratădecătredateledintabelulurmătorreferitoareladiferiteleţesuturialeorganismuluiumanadult.

Conţinutul procentual de apă al principalelor ţesuturi

Ţesutul Apă (% din masă) Dentină Schelet

Ţesut adipos Cartilaj Ficat

Ţesut nervos (substanţă albă) Ţesut nervos (substanţă cenuşie)

Pancreas Muşchi striat

Inimă, plămân, rinichi, splină

10 30 30 50 70 70 85 75 76 80

35

Dintabelulprezentat,rezultăcămajoritateaţesuturilorconţinaproximativaceeaşiproporţiedeapă,cuexcepţiaţesutuluiadipos,carejoacămaialesrolderezervăenergeticăaorganismuluişiasistemuluiosos,carearerolulpredominantdesusţineremecanică.Paralelismulîntredinamicametabolicăşiconţinutuldeapăesteconfirmatdeprocentulfoartemicdeapădindentină,desprecareseştiecăareunmetabolismfoarteredus,caşideconţinutuldeapămaimicînsubstanţanervoasăalbă(formatămaialesdinfibrenervoase)faţădemateriacenuşie(alcătuitădinsomeleneuronale,caresuntprincipalulsediualmetabolismuluiceluleinervoase).

I.5.1.2.ProprietăţilefiziceşistructuraapeiNevomopri,succint,numaiasupracâtorvaproprietăţifizicealeapei,esenţialepentrurolurileeiînsistemelebiologice.

1.Călduraspecificăaapei(4,2kJ·kg‐1·K‐1)estemultmaimaredecâtaoricăreisubstanţesolidesaulichide.Călduraspecifică(saucapacitateatermică)mareconferăapeiroluldeatamponavariaţiiledetemperaturăatâtlanivelplanetarprinintermediulhidrosferei,câtşilanivelulfiecăruiorganism.Pondereamareaapeiînmasatuturorţesuturilor,împreunăcucapacitateatermicămareaacesteia,fac,deexemplu,caoeliberaremasivădecăldură,caurmareaunuitravaliumuscularintens,sănudeterminevreosupraîncălziresemnificativăînaintecasistemeledereglareatemperaturiisăintreînfuncţie.

2.Conductibilitateatermică(0,59J·sec‐1·cm‐1·K‐1la20°C)estedecâtevaorimaimaredecâtamajorităţiilichidelor.Aceastăproprietateaccentueazărolulde„amortizortermic”alapeiînorganisme,intervenindatuncicând,datorităprezenţeimembranelorsauaaltorstructuri,călduranupoatefievacuatăprincirculaţiafluidelorînjurulloculuieideproducere.

3.Călduralatentădevaporizare(2,43·106J/kgla37°C)aapeieste,deasemenea,multmaimaredecâtacelorlaltelichide.Acestaesteunfactordeterminantalhomeotermiei,şianumealpierderiidecăldură(termoliza)ceseproducelatemperaturisuperioarecelorde„conforttermic”(înjurde25°C).Înafaracălduriieliminateprinevaporarepulmonară(0,73·106J/zi),unomadulteliminăprinperspiraţie(transpiraţieuşoară)insensibilă1,73·106J/zi,adicăaproximativ20%dinproducereatotalădecăldură,iarprintranspiraţieaceastăeliminaredecăldurăpoatefimultcrescută.

4.Densitatea.Spredeosebiredemajoritateasubstanţelorlacaredensitateascadeînmodcontinuucucreştereatemperaturii,apaprezintăotemperaturălacaredensitateaestemaximă(4°C).Prinrăciresubaceastătemperaturădensitateaeiscade,iarprinîngheţaredensitateascadebrusc.Importanţaacestorfenomenepentruviaţaacvaticăesteevidentă.

5.Constantadielectricăaapei(78,5la25°C)estefoartemare,ceeaceexplicămareacapacitateaapeideaionizasubstanţeledizolvateînea.

6.Puncteledetopire(0°C)şidefierbere(100°C)aleapeisuntextremderidicate,comparativcucompuşiidetipulH2Te,H2Se,H2S.Extrapolândvalorileacestorpunctepentruaceşticompuşi,încazulH2Otemperaturadetopireartrebuisăfieînjurde‐100°Cşidefierbereînjurde‐80°C.

Toateacesteproprietăţiparticularealeapeisedatoreazăforţeimaricucaremoleculeleeiseatragreciproc,datorităcaracteruluidipolarşiacapacităţiideaformalegăturidehidrogen,astfelîncâtapasecomportăcaşicummasaeimolecularăarfimultmaimarede18u.Atâtcaracteruldipolar,câtşicapacitateadeaformalegăturidehidrogendecurgdincaracteristicilestructuralealemoleculeideapă.

Analizaspectroscopicăavaporilordeapăaarătatcăaranjareaatomilordehidrogenşioxigenînmoleculadeapăestecaînfigurademaijos.Aceastădispunerefacecamoleculadeapăsăaibăunmomentdedipolde1,858Debye≈6,210‐30C·m.Caracteruldipolaralmoleculei

36

facecaapasăaibăoconstantădielectricăatâtderidicată,datorităcapacităţiimoleculelordeapădeaseorientaîncâmpelectric.Înacelaşitimp,momentulmarededipolfacecamoleculeledeapăsătindăsăsecombinecuioniipentruaformahidraţi.

Fig.6.Parametriistructuraliaiapei(stânga)şidispunereatetraedricăa5moleculedeapălegateprinpunţidehidrogen

Acestedouăproprietăţi(ambeledecurgânddincaracteruldedipolalmoleculei)explicăexcepţionalelecalităţialeapeicamediudedispersie,dedizolvareşideionizare.Dinconsiderentedemecanicăcuantică,rezultăcăcele2perechideelectroniliberiaiatomuluideoxigenalapeisuntînorbitalicare,împreunăcuceidoiorbitaliceleagăatomiideHairespectivuluioxigen,suntaranjaţitetraedricînjurulatomului(nucleului)deoxigen.

Fiecaredincei2protonipoateformaolegăturădehidrogencuunuldinceledouăcentredesarcinănegativădepeatomuldeoxigen.DeoarecefiecareoxigenesteacceptoracâtedouălegăturideHşidonorpentrualtedouă,fiecaremoleculădeapăesteînconjurată,tetraedric,dealte4moleculedeapă.Îngheaţă,aceastăorientaretetraedricăseextindeîntoatedirecţiile,formândoreţea.Deoarecefiecaremoleculăesteînconjuratănumaidealte4moleculeînvecinate,acestlucrufacecagheaţasăaibăostructurăafânată,cuodensitateanormaldescăzută.Printopire,dispunereatetraedricăesteparţialdistrusă,moleculeledeapăseîmpacheteazămultmaistrâns,astfelîncât,densitateacreştebrusc.Sepăstreazăînsă,multedinlegăturiledeHcaresedesfacpemăsuraîncălzirii,determinândocreşterecontinuăadensităţiipânălatemperaturade4°C,cânddilatareanormală,datorităcreşteriiagitaţieitermice,ajungesăcompensezeşiapoisădepăşeascăacestefect.

AsocierilemoleculareprinlegăturideHfacsăcreascămomentulefectivdedipol,determinândastfelvaloareaanormaldemareaconstanteidielectrice.Faptulcăenergiaacestorlegături(≈20kJ·mol‐1)estesuperioarăenergieiinteracţiunilormoleculareobişnuiteprinforţeVanderWaals(~1kJ·mol‐1)explicăvalorilefoartemarialecălduriispecifice,călduriilatenteşipunctelordetopireşidefierbere.

Faţădedispunereatetraedricăfoarteordonatăamoleculelorîngheaţă,înstarealichidăsuntdeformări,defecteşidistorsiuni,structuralocalăînlichidprezentândşifluctuaţiiîntimp.Pânăînprezentnuexistăunmodelunanimacceptatpentrustructuraapeilichide,printremultealteleşidatorităinsuficienteistabiliriauneiteoriigeneraleastăriilichide.

I.5.2.Stareaapeiinsistemelebiologice

Faptulcăapa,prinpondereaeideosebitdemareînansamblulcomponenţilororganismelor,reprezintă„cadrulmolecular”încaresedesfăşoarăviaţa,facecaproblemastăriieifizicesăfiedeoimportanţăfundamentală.Dinpunctdevedereteoretic,elucidareastăriiapeiînorganismeîngeneral,şiîninteriorulcelulelorînspecial,constituieetapamajorăşiceamai

37

dificilăaînţelegeriistăriifiziceamaterieiviiînansamblu.Dinpunctdevederepractic,esteimportantsăsecunoascăcefracţiunedinapaorganismuluipoatefuncţionadreptsolventpentrusubstanţedegenulmedicamentelor,acăroracţiunedepindedeaccesullorladiferiteformaţiunicelulare.

Oseriedealteproblemepracticeimportante,nemijlocitlegatedestareaapeiînorganism,suntcelealecriobiologieica,deexemplu,menţinereaviabilităţiiorganelorizolatepăstratelatemperaturijoase,învedereatransplantuluişimodalităţileoptimederealizareaacesteipăstrărisauchiaraspectedeintereseconomic,cumarficonservarealatemperaturijoaseaalimentelor.

Înmodevident,problemacentralăreferitoarelastareaapeiînmateriavieesteaceeaaapeicitoplasmatice.Dar,anterioracesteiproblemedebază,vafidescrisăsuccintdistribuţiaanatomicăaapeiînorganismelevii,cureferirelaorganismuluman.

I.5.2.1.CompartimentareaapeiînorganismulumanOprimădistincţieesteîntreapaintracelulară,reprezentândmediulîncareaulocreacţiilemetaboliceşiapaextracelulară,careconstituiemediulimediatînconjurătoralfiecăreicelule.Apaintracelularăreprezintă55%dintotalulapeiorganismului,iarceaextracelulară45%.Aceastacuprinde,alăturidefluidulinterstiţial,şifluidelecirculante.

Evidenţiereadiferitelorcompartimenteseface,înprincipiu,prinmetodedediluţie.Variantaceamaisimplăestedeainjectaînsistemulcirculatorcoloranţi(deexemplu,roşudeCongo)sausoluţiicoloidale(deexemplu,polivinilpirolidonă)carenupottreceprinpereţiicapilarelor,astfelîncâtdiluţiaseproducenumaiînapaplasmatică(circulantă).

Dacăs‐aintrodusunvolumV0desubstanţă‐testcuconcentraţiaC0,iarînurmadiluăriiînsistemulcirculatorconcentraţiarespectiveisubstanţeînsângeesteC,volumulVdeapăplasmaticăîncares‐aprodusdiluţiaestedatderelaţia:V=V0(C0/C‐1).Aceastărelaţiearezultatdincondiţiadeconservareasubstanţeitest:V0C0=(V0+V)C,deciacestgendedeterminărisebazeazăînmodesenţialpeipotezarămâneriiînfluidulcirculatoraîntregiicantităţidesubstanţătest.Adsorbţiaeipesuprafaţacapilarelor,caşieventualapătrundereînspaţiileintercelulare,determinăerorisistematice.Acesteeroripotfireduse(darnueliminatetotal),folosindcasubstanţătestunizotopradioactiv,deexemplu32P,cucaresemarcheazăocantitatecunoscutădehematiialeanimaluluirespectiv.Înacestcaz,înloculconcentraţiilorC0şiC,înrelaţiaprecedentăaparactivităţilespecificeΛ0şiΛaleunităţiidevolumsanguininiţial(dupăincubareaînmediucu32P)şidupăechilibrareaînsistemulcirculator.

Pentruaseputeaevidenţiacompartimentulaposinterstiţial,caşiapaintracelulară,seutilizeazăsubstanţetest(deregulă,marcatecuizotopiradioactivi),caresănufiemetabolizateşicaresăpătrundăînrespectivelecompartimente.Urmărindu‐secineticadistribuiriisubstanţeitestînansamblulcompartimentelor,sepotdeducevolumeleacestorcompartimente.Încazuluneidispuneriînserieacompartimentelorcorespunzătoare,deexemplu,trecerilorplasmă‐lichidinterstiţial‐apăintracelulară,concentraţiadesubstanţătestexistentălaunmomenttînprimulcompartiment,deundepoatefidozată,variazădupăosumădeexponenţiale(atâteacâtecompartimentesunt),astfel:

∙ ∙ ⋯

ParametriiA,B,λ1,λ2suntfuncţiicunoscute(dardestuldecomplicate),depinzânddevolumeleV1,V2,…alecompartimentelorşideconstantelecineticedetrecereîntreacestecompartimentek12,k21etc.Încazuldispuneriicompartimenteloratâtînserie,câtşiînparalel,dependenţaparametrilorA,B,λ1,λ2,…decaracteristicilecompartimentelordevinemaicomplicată,însăpentrufoartemultesituaţiiconcrete,caşipentrucazurilegenerale,ecuaţiileaufoststabilite.

38

Fig.7.a)dispunereînserieacompartimentelor;b)dispunereînserieşiînparalelacompartimentelor.

Combinândrezultateleanalizeicompartimentaledetipulecuaţiilorschiţatemaisuscucelealedeterminărilordirectepeorganeizolate,s‐apututelaboraschemadeansambluacompartimentăriiapeiîndiferiteorganisme,deexempluîncorpulomenesc.Studiulcompartimentelorlichidealecorpuluiesteoproblemăimportantăafiziologiei,deoarecediferitelemodificărialeacestorcompartimentecorespundunorsituaţiipatologicefrecventîntâlnite.Lanivelcelular,intrareaşiieşireaapeiprinmembranădeterminăumflareaşi,respectiv,ratatinareacelulei,acesteprocesefiinddemareimportanţăbiologică,deoareceregleazăvolumulcelular.Fluxuriledeapăreflectămodificări,fiealecompoziţieimediuluidinexteriorulcelulei,fiealepompăriiactivelanivelulmembraneiadiferiţilorcomponenţicelulari.Pebazadateloractuale,concluziageneralăestecănuexistătransportactivdeapă,însensulcuplăriidirecteîntrefluxuldeapăşiutilizareaenergieimetabolice.

Dintremecanismelecareintervinînfluxurilecelularedeapă,osmozaestededepartecelmaiimportant.Cu

oponderemultmaimică,existăînsăşialtemecanisme,cumarfi:pinocitoza,electroosmozaşiacţiuneavacuolelorcontractile.

Pinocitozareprezintă„înghiţirea”uneipicăturiîntregidefluiddecătrecelulă,print‐oexpansiuneamembraneişiapoiprinabsorbţiegradată,încitoplasmă.FenomenulseproducelaAmoeba,lacelulemacrofage,înendoteliulcapilar,muşchinetezi,precumşiînepiteliulrenalalvezicibiliare.

Electroosmozaconstădindeplasareaapeiprintr‐omembranăceconţinesarcinielectricefixe,chiarînabsenţaunuigradientdepresiuneosmotică,atuncicândesteaplicatăodiferenţădepotenţialelectric.Fenomenulapututfidetectatînceluleleinter‐nodalegigantealealgelorNitellaşiChara.

Efectulvacuolelorcontractile.Înuneleorganismeprimitive(protozoare,algeşispongieri)existăvacuolecontractilecepompeazăintermitent,înafaracitoplasmei,fluidmaipuţinconcentratdecâtcitoplasma,probabilpentruaanulainfluxuldeapădinmediulextern.

Compartimentareaapeiînorganismşischimburileîntrecompartimente:A–apaplasmaticădinsistemulvascular(7,5%);B–fluidulinterstiţialşilimfa(20%);C–fluiduldinţesutulconjunctivdensşidincartilagii(7,5%);D–fluiduldinoase(7,5%);E–apaintracelulară(55%);F–fluidedelimitatedeepiteliiacăroractivitatecelularăledeterminăcompoziţia:lichidulcefalorahidian,sinovial,pleuraletc.(2,5%).

A

B

C

D

E

F

V1 V1 V2 V3V2

K23K12K12

K21 K32K21

K13

K31

a) b)

39

I.5.2.2.StărileapeiintracelulareProblemastăriifiziceaapeiintracelulare(liberă‐legată‐structurată)constituieterenuluneiadincelemaisusţinutedisputeştiinţifice,începutăîncădinsecolultrecutşicontinuatăcuaceeaşiintensitatepânăînprezent.StudiidatânddinprimeledeceniialesecoluluialXX‐leaauarătatcăopartedinapacitoplasmatică:

a)rezistăladeshidratare;b)nuîngheaţăchiarlatemperaturide‐20°C;c)nuareproprietăţileobişnuitedesolventfaţădecristaloizi;d)nuestetransferatăprinmembranăîncadrulschimburilorosmoticedintreceluleşimediulextern.

Acestorproprietăţilepotcorespunde,respectiv,termeniide:apăfixată,apănecongelabilă,apănesolvantă,apăintransferabilă(osmotic),darcelmaiadeseatoateacesteasuntdesemnateprintermenulglobaldeapălegată.Omarepartedindisputeleexistenteînacestdomeniusedatorescfolosiriinediferenţiateatermenului„legată”,fărăspecificareaproprietăţiifaţădecareaparespectivănusecomportăca„liberă”.

Încriobiologie,apalegatăestedefinitădestuldevagdreptaceafracţiunedinapacelularăcarenuîngheaţă,oricâts‐arcoborîtemperatura.Cutoateinerentelediferenţeîntrerezultate,seconsiderăcă,înţesuturileanimaletipice,între5‐10%dinapatisularănuîngheaţă,deci,dinacestpunctdevedere,esteapălegată.Rezultateasemănătoaresuntobţinuteînexperienţepemicroorganismedetipuldrojdieidebereşiînexperienţededesicare.

Caunindiceallegăriiapeiînţesuturiafostadeseafolosităşiscădereapresiuniidevapori1aapeidinacesteţesuturi.Seştie,însă,căsimplaascensiunecapilarăalichidelorîntuburisubţiriseasociazăcuscădereapresiuniidevaporideasuprasuprafeţelorconcavealelichidului,astfelcădindateleasuprapresiuniidevaporinusepoatefacedistincţiaîntrelegarearealăaapeişisimplacapilaritate.

Metodelordedeterminareaapeilegate,lacares‐afăcutreferireanterior,lisepoate,înmodulcelmaifiresc,reproşafaptulcăsuntdistructive,implicândafectareabrutalăapreparatuluibiologicîncursulprocesuluidedeterminare.Peaceastălinie,multesperanţes‐aupusîntehnicilederezonanţămagneticănucleară(RMN)pentrudeterminarea,încondiţiifiziologice,astăriiapeiînţesuturi,pebazauneiinteracţiuniatâtdeslabecusistemuldemăsurare,încâtsănuafectezeînvreunfelpreparatul.Înprincipiu,prinmetodeledeRMNsepotobţineinformaţiidesprestareaapei,prinintermediultranziţiilorpecarelesuferăîncâmpmagneticfienucleeledeH,fieceledeOaleapei.Seinduce,printr‐uncâmpmagneticconstant,distribuireanucleelorpeniveleleenergeticecuantificate,corespunzătoarediferitelororientărialespinuluinuclearfaţădecâmpulmagnetic.

Concluziilelacareaucondustehnicilederezonanţămagneticăprotonicăsuntmultmairezervateşinuanţatedecâtsimpladistincţieîntreapaliberăşicealegată:anume,seconsideră

1Presiuneadevaporiestevaloareapresiuniilacarecoexistăfazagazoasășifazalichidăsausolidăauneisubstanțe,laotemperaturădată.Presiuneadevaporidepindedenaturasubstanțeișidetemperatură.Substanțelepotprezentapatrustărideagregare:solidă,lichidă,gazoasășiplasmă.Înstaregazoasă,substanțelepotexistasubformădevaporisaudegaz.Gazulesteformasubcareseprezintăfazagazoasăauneisubstanțelatemperaturipestetemperaturacritică,iarvaporiisuntformasubcareseprezintăfazagazoasăauneisubstanțelatemperaturisubtemperaturacritică.Latemperaturăconstantă,într‐unsistemînchisparțialumplutculichid,serealizeazăînmodspontanostaredeechilibruîntrefazalichidășiceagazoasă.Înstareadeechilibru,număruldemoleculecesevaporizeazăesteegalcunumăruldemoleculeceselichefiază.Vaporiiaflațiînechilibrudefazăculichidulsenumescvaporisaturanți,presiuneadevaporiatingândînacestcazvaloareasamaximă,numităpresiunedesaturațieavaporilor.Latemperaturăconstantă,presiuneadesaturațieavaporiloresteconstantășinudepindedevolumulrecipientuluiîncareseaflăsubstanța.Dacăvolumulsemărește,opartedinlichidseevaporă,șipresiuneadevaporinusemodifică,atâtatimpcâtmaiexistălichid.Cândlichidultreceîntotalitateînfazăgazoasă,atuncinusemaimăsoarăpresiuneadevapori,cipresiuneagazului.(Dacăvolumulcontinuăsăsemărească,gazulsuferăotransformareizotermă,iarpresiuneagazuluiscadesubvaloareapresiuniidesaturație).Dacăvolumulsemicșorează,opartedinvaporisecondensează,șipresiuneadevaporinusemodifică.Procesuldecondensareseproducedoarsuboanumitătemperatură,numitătemperaturăcritică.Dacăînsistemsegăsescmaimultesubstanțe,presiuneamăsuratăînfazagazoasăestesumapresiunilorparțialealesubstanțelordinsistem(legeapresiunilorparțialealuiDalton,pentrugazeleideale).

40

căînoriceţesutexistă,înafaraapeiintercelulare,unulsaumaimultecompartimenteapoaseintracelulare,atâtîncompartimentulextracelular,câtşiînceleintracelulareexistaomicăfracţiunedeapă„imobilizată”înstraturiledehidratarealeproteinelor(8‐20%,încazulmuşchiuluistriat)şioproporţiemaredeapăobişnuită.Întreacestefracţiuniarelocunschimbcontinuudemolecule.Dedataaceasta,prinapa„imobilizată”seînţelegeapadehidratareaproteinelor,decilegatăcvasichimic.

Încondiţiileîncarenuesteperfectelucidatănicimăcarstructuraapeilichidepure,dificultăţiledeaînţelegeşiimaginaintuitivstructuraapeisuntfireşti.Desemnareaapeicelularedoarprintermenii„legat㔺i„liberă”înseamnăcomprimareaabuzivăauneirealităţimultmaicomplexeînniştetiparefizico‐chimicesimplificate.Pentruodescriereadecvatăastăriiapeiintracelulare,estedeaşteptatodefinireaaunorconceptecapabilesăredeacomplexitateaacesteistări.

I.6.Arhitecturacomponenţilormacromoleculariaimaterieivii

Dacăseanalizeazănaturamoleculelordincaresuntcompuseceluleleoricăruiorganism,segăseşteomareproporţiedemicromolecule(înprimulrândapă)şideionianorganici.Referitorînsălacomponenţiiorganici,caresuntceispecificimaterieivii,aceştiaseprezintămajoritar,subformădemoleculeuriaşe–macromolecule–cumasacuprinsăîntre103şi109u.Fărăaintraîndetaliereastructuriichimiceaacestorcomponenţi(ceeacefaceobiectulaltordiscipline)studiereaorganizăriimaterieiviiimpunecaetapăesenţialăcunoaştereaarhitecturiicomponenţiloreimacromoleculari.

Omacromoleculă(sauunpolimer)esteunansambludeatomilegaţicovalent,constituitdintr‐unnumărmaredemoleculemiciasemănătoareîntreele(monomeri)carereprezintăunităţiledebazădinacărorlegarechimicărezultămacromolecula.Dacăesteunsingurtipdeunitatemonomerică(deex.„A”),polimerulrezultatesteunhomopolimer(A‐A‐A‐…‐A),iardacămonomerisuntdemaimultetipuri(A,C,G),rezultăunheteropolimer(A‐G‐A‐A‐C‐G‐…‐G‐A).Esteevidentfaptulcă,pentruaselegaîntr‐unlanţpolimeric,unităţilemonomericetrebuiesăposedecelpuţindouăgrupărifuncţionalecaresăpermităformareadelegături.

Lanţurilepolimericepotaveaconformaţiicudiferitegradedeordonare(decicuentropiidiferite),variindîntrestructurărigidă,aşacumestefazacristalinăşi„ghemhaotic”,încaremonomeriiaulibertatederotaţiereciprocă.Conformaţiadepindeatâtdenaturamonomerilor,câtşideparametriiambianţi:temperatură,naturasolventului,„tăriaionică”,pH‐uletc.

Mareamajoritateaabiopolimerilorsuntheteropolimericonstituiţidinmonomeridiferiţi,darevident,aparţinândaceleaşiclasedesubstanţe.Principaleletipurideunităţimonomericesuntaminoacizii,nucleotideleşimonozaharidele,căroralecorespund,respectiv,polimerii:polipeptide(conţinuteînproteine),polinucleotide(ADNşiARN)şiplizaharide.Laacesteasemaiadaugăşiuniipolimerihidrocarburici,cumarficauciuculnatural.

Formareabiopolimerilordinunităţilemonomericedebazăreprezintăoscădereagradelordelibertatedemişcare,deciaentropiei,pemăsuracreşteriicantităţiideinformaţiestructurală.Acestprocesdeordonarenuselimiteazădoarlaformarealanţuluipolimericcuoanumităstructurăchimică,structuraprimară,cicontinuăcustabilireauneisuccesiunidestructurăriierarhizate.Următorulniveldestructurareîlconstituiestructurasecundarăcareimplicăformareadezoneordonateîntr‐unlanţbiopolimeric,datorate,atâtforţelorLondon–vanderWaals(stabilireadepunţidehidrogen),câtşiinteracţiunilorhidrofobe.Deşipunţiledehidrogensuntslabe,elejoacăunrolimportant,pentrucănumărullorestedeacelaşiordincualunităţilormonomerice.Astfel,structurasecundarădepindeînspecialdeposibilitateaformăriidepunţidehidrogenîntrediferitelegrupăridepelanţulpolimeric,aceastăstructură

41

fiind,deci,determinatădeatomiicomponenţiailanţului,cualtecuvinte,depindedirectdestructuraprimară.

I.6.1.Structuraproteinelorşiaacizilornucleici

AceastăproblemăafostclarificatădePaulingşiCorey.Dupăcumsecunoaşte,proteinelereprezintăcatenelungidemoleculeformateprinpolimerizareaaminoacizilor.Înlungullegăturilorpeptidiceapareomezomerie1,încareopartealegăturiidubleserepartizeazăorbitaluluiatomuluideoxigen,iaroparteserepartizeazăgrupării–NHşiastfelapareunplandeterminatdeatomiicareaucreatmezomeria.Pattern‐uldeîmpachetareallanţuluipolipeptidicpoatefidescrisprinprismaunghiurilorderotaţieinternăînjurullegăturilorexistenteîncatenaprincipală.Atâtîntreatomuldeazot(N)şiatomuldecarbon(Cα),câtşiîntreatomulCαşiatomulC,implicaţiînconstituţiacateneipolipeptidiceserealizeazăîntotdeaunalegăturisimple.Rotaţiainternăînjurulacestorlegăturinuesterestricţionatădestructuraelectronicăalegăturiici,doardeposibilelecoliziunisterice2aleconformaţieirezultate.

Lamodulgeneral,dinpunctdevederegeometric,catenaprincipalăauneiproteinereprezintăosuccesiunedepuncteînspaţiu:Cα–C–N–Cα–C–N.Pentruocâtmaibunăaproximare,lungimealegăturilorşiaunghiurilor(distanţadintrefiecarepunctsuccesivşiaunghiurilordeterminatedefiecaretreipunctesuccesive)esteconsideratăconstantă.Astfel,gradeledelibertatealecateneiimplicăpatruatomisuccesivişisuntinfluenţatedeposibilitateaderotaţieaprimilortreiatomi(ceconstituieplanullegăturiipeptidiceCαi‐1–Ci‐1–Ni)înraportcualpatruleaCαi.Princonvenţie,unghiulderotaţieNi–Cαiestedenumitphi(φ)iarunghiulderotaţieCαi–Ciestedenumitpsi(ψ).Unghiulomega(ω)estechiarlegăturapeptidicăCi–Ni+1careesterestricţionatlaovaloarede180°(trans)sau0°(cis).

Fig.8.Unghiurileconformaţionalecedescriuplierealanţuluipolipeptidic.

Spredeosebiredeceledouălegăturisimple,legăturapeptidicăareuncaracterparţialdedublălegăturăcuununghiderotaţieinternărestricţionat.AcestaspectafostpentruprimadatăidentificatdecătreLinusPauling.Astfel,grupulpeptidicpoateluaoconformaţiecissautrans,izomerultransfiindmultmaistabil.Pentrutoţiaminoacizii,cuexcepţiaprolinei,diferenţaenergeticădintreconformaţiilecisşitransestefoartemare.Încazulprolinei,diferenţaenergieiconformaţionaleestededoar5kJ∙mol‐1(1,2kcal∙mol‐1).Teoretic,dinaceastăcauză,înstructuraproteinelortoatepeptidelecisaparîntreprolinăşiunrestceoprecedeîncatenă.

Deoareceînlungullanţuluipolipeptidicsegăsescmultegrupări–NHşi–CO,întrecaresepotformalegăturiprinpunţidehidrogen,moleculavacăpătastructuracaresăprezinteunmaximdepunţidehidrogenposibile,ceeaceînseamnăcăsetindespreoconformaţiecu

1MezomeriasaurezonanţareprezintăunmoddeadescrieelectroniidelocalizaţiîncadrulanumitormoleculesauionipoliatomiciundelegăturanumaipoatefiexprimatădoarcuajutoruluneiformuledetipLewis.Omoleculăsauunioncuelectronidelocalizaţisuntreprezentatecuajutorulmaimultorstructuriderezonanţăcunoscuteşisubdenumireadeformecanonice.2Efecteledenaturăstericăsuntocauzăindirectăaspaţiuluiocupatdecarefiecareatomdincadruluneimolecule.Astfel,apropiereaatomilorconstituenţiesteasociatăcuuncostenergetic(creştereaentropiei)cauzatdesuprapunereanorilorelectronici(repulsiePaulisaurepulsieBorn).Acestaspect,afectează,într‐omaimicăsaumaimaremăsură,conformaţiaşireactivitateamoleculei.

42

energieinternăminimă.Catenelepolipeptidicealeproteinelorpotavea,douăformedebazăcastructurăsecundară:

a)structurăsecundarăîncarelegăturiledehidrogenseformeazăîntrecatenediferite;b)structurăsecundarăîncarelegăturiledehidrogensuntintra‐catenare.

PrimultipsedatoreazăposibilităţiiderotireliberăalegăturiidelaatomulCα.Laacestnivel,planul legăturii peptidice se poate frânge şi astfel, apare structura secundară de tip foaiepliată(foaiebetapliatăsauβ‐pliată),avândlegăturidehidrogeninter‐catenare.

Aldoileatipdestructurăsecundarăaparedatoritănumăruluimaredepunţidehidrogencesepot forma în cadrul aceleaşi catene (intra‐catenare). În acest caz se formează ca structurăsecundarăunalfahelix(α‐helix).

Distanţalacareaceeaşigruparemoleculară(structurală)serepetăîncadrulunuilanţmacromolecularcustructurăsecundarăsenumeşteperioadădeidentitate.

Încazulacizilornucleici(ADN),moleculeleautotostructurăspiralatăcavariantăastructuriisecundarenumităhelixWatson‐Crick(helix‐ADN).Acesthelixestecompusdindouăcatenelungi,torsionateîmpreună.Înacestcazstructuraestestabilizatăprinpunţidehidrogen,carerealizeazălegăturiîntrebazelecomponentealedubleispirale.Aceastăstructurăspiralatăspredreaptaare34Åşiconţine10nucleotidepentrufiecarepasalspiralei.

Unaltniveldestructurareîntâlnitlaproteineestestructuraterţiară.Structuraterţiarăauneiproteinereprezintăformageometricăfinalăpecareaceastaopoateluaocatenăpolipeptidică.Aceastăstructurăestedeterminatădeovarietatedepunţişilegăturicarepotsăaparăîntrediferiteporţiunialelanţuluideaminoacizi.Carezultatalacestorinteracţiunidintrediferiteporţiunialelanţurilordeaminoaciziseformeazăpliurişibucleînlanţulproteic,astfelîncâtfragmentediferitealeaceluiaşilanţpotajungesăfielegateîmpreună.Structurăterţiarăauabsoluttoateproteinele(şiceleconstituitedintr‐unsingurlanţpolipeptidic,şicelecumultiplelanţuripolipeptidice)întimpcestructurăcuaternarăaudoarproteinelemultimerice(cucelpuţinedouălanţuripolipeptidice).Înstabilitateastructuriiterţiaresemanifestăpatrutipurideinteracţiunicarepotsăaparăîntrediverşiradicaliaiaminoacizilordincomponenţalanţuluipeptidic:punţidehidrogen,punţidisulfidice,punţisalineşiinteracţiuneahidrofobă.

Punţiledehidrogen,seformeazăîntr‐ovarietatedecircumstanţe.Elecontribuieatâtlastabilitateastructuriisecundarecâtşilastabilitateaceleiterţiare.Celemaiuzualecazuriimplicăpunţidehidrogenîntregrupărilealcoolice,întregrupăriacide,întreogruparealcoolicăşiunaacidăsauîntreogruparealcoolicăşioaminăsauoamidă.

Punţiledisulfidice,seformeazăîntreatomiidesulfaparţinândladouămoleculedecisteinăprinoxidareagrupărilorsulfhidril(‐SH)aleacesteia,cisteinafiindsingurulaminoacidcareareîncomponenţăaşaceva.Acestelegăturipotsăaparăîntr‐unsingurlanţpolipeptidicsauîntredouălanţuricompletdiferite.

Rolulpunţilordisulfidiceconstăîncreştereastabilităţiimecaniceastructuriiproteice.Acesteadeterminăşioseriedeproprietăţichimiceprinstabilireaconformaţieiactive,iarlauneleproteinepotsăjoaceunrolcatalitic.

OH

O

NH2

HSHO

O

NH2

SH HO

O

NH2

S S

NH2

O

OH

punte disulfidică

43

Punţilesalinesaupunţileionice(interacţiuniputernicedenaturăcolumbiană),rezultădinneutralizareaunuiacidcuoamină.Interacţiuneapropriu‐zisăestedenaturăionicăşiarelocîntregrupareapozitivăamoniuşigrupareanegativăacidă.

Interacţiunilehidrofobe,reprezintăunaltfactorimportantcarecontribuielastabilitateastructuriiterţiareaproteinelor.Atâttimpcâtîncomponenţauneiproteineintrăatâtlanţuripolarecâtşinepolare,într‐osoluţieapoasămoleculelesecomportăcapicăturiledeulei,cugrupărilepolarelaexteriorîncontactcusoluţia(apa)şigrupărilenepolarelainterior.Deasemeneaşimoleculelesolventuluidinimediatavecinătateaproteineiseordoneazăînfuncţiedegrupărilepolare.Astfel,faţădegrupărilenepolare,moleculelesolventuluicontribuieînmodnegativlaenergiaentropică,favorizândastfelstructuraîmpachetată(terţiară)îndetrimentulstăriidenaturate(primară).

Foartemulteproteine,înformaloractivă(funcţională),existăsubformaunoragregatecumaimultdeunlanţpolipeptidicîmpachetat,aceastăagregaredeterminăstructuracuaternară.Structuracuaternarăesterezultatulinteracţiuniiamaimultdeomoleculăproteică(lanţpolipeptidic),denumităînacestcontextsubunitateproteicăşicareesteparteintegrantădinansamblulcomplexuluiproteic.Cualtecuvinte,osubunitateproteicăreprezintăosingurămoleculăproteicăcareseasambleazăcualtemoleculeproteicepentruaformaoproteinămultimericăsauoligomerică.Proteinele,îngeneralşienzimele,înspecial,auostructurămultimerică.Exempledeproteinecustructurăcuaternară:ADN‐polimeraza1,hemoglobina2,nucleosomul3,canaleleinionice4,microtubulii,proteinelecareintrăînstructuracitoscheletuluietc.

Launeleansambluriproteiceoanumităsubunitatepoateavearoldesubunitatereglatoare,iaraltafuncţioneazăcasubunitatecatalitică.Oenzimăcaredeţineambeletipuridesubunităţiestenumităholoenzimă.Lamajoritateaproteinelormultimerice,număruldesubunităţivariazăîntre2şi12,celemaimulteavând2sau4.Excepţiefacînsă,complexeleenzimaticeşivirusurilecarepotaveamultmaimultesubunităţi.Înproteinelecupuţinimonomerisaucuunnumărmicdesubunităţi,toateinteracţiunilecaresuntposibileîncadruluneisubunităţitrebuiesăfieîndepliniteîntotalitate,doarastfel,potsăaparăagregatemolecularefoartemari.Proteinelemultimericeposedăunpunctalsimetrieidegrup,constândînunasaumaimulteaxecareseintersectează.Osimetrietetraedricăestepusăînevidenţăacoloundemonomeriisuntînvârfurileunuitetraedru.Proteinelehexamericepotformaprismetriunghiulare(trigonale),iarceleoctamerice,cuburisauprismepătratice.

1ADN‐polimerazaesteoenzimăcarecatalizeazăpolimerizareadezoxiribonucleotidelorîntr‐ocatenădeADN.AceastaareunroldeosebitînreplicareamacromoleculeideADNcândciteşteocatenăintactădeADN,consideratămatriţă,înscopuldeasintetizaonouăcatenă.ADN‐polimerazapoatesăadaugenoinucleotideliberedoarlacapătul3’terminalanoiicateneînformare.Acestafaptdeterminădirecţiadeelongarecareesteîntotdeauna5’‐3’.NuesteclarificatîncămotivulpentrucareADN‐polimerazaestecapabilăsăînceapăsintezauneinoicatene(denovo).Structuraacesteienzimeesteînaltconservată,ceeaceimplicădiferenţemicidelaospecielaalta.2Hemoglobinaesteoproteinătetramericăceareîncomponenţădouălanţuri,fiecarecucâtedouăpolipeptidediferite(lanţul‐şilanţul‐).FiecaresubunitateincludeogruparehemcareconţineunatomdeFecapabilăsălegeoxigenul.3Nucleosomulconstituieunitateafundamentalăcarestălabazacromatineieucariotelor.4Canaleleionicesuntproteineformatoaredeporicaresuntimplicateîndeterminareaşicontrolulvariaţieitensiuniide‐alungulmembraneiplasmaticelatoatecelulele,princontrolulconcentraţieiionilordeoparteşidealtaamembraneicelulare,facilitândtrecerealorîmpotrivagradientuluielectrochimic.

punte salină

CH CO

O-

R

H3N+

CH CO

O-

R

H3N+ CH C

O

O-

R

H3N+CH C

O

O-

R

H3N+

44

Structurăcuaternară(1bpd),ADN‐polimerazadelaşobolan.Culorilereprezintăprinconvenţiestructurilesecundare:‐helixcuroşu,‐pliatăcualbastru.Sursă:RCSBProteinDataBank

Structurăcuaternară(1aoi),complexulnucleosom‐ADN.Încentrusuntreprezentatecomponentelenucleosomale(H2a,H2b,H3,H4,reprezentateînculoridiferite)înconjuratedeunfragmentdeADNculungimeade146bp.Sursă:RCSBProteinDataBank

Structurăcuaternară(1a3n),deoxi‐hemoglobinaumană.Înculoridiferitesuntevidenţiatecelepatrusubunităţiproteiceglobulare(ceauîncomponenţănumaiα‐helix‐uri):douăsubunităţişidouăsubunităţi.Sursă:RCSBProteinDataBank.

Structurăcuaternară(1k4c),complexulkcsa‐fabalcanaluluideKvoltaj‐dependentînsituaţiauneiconcentraţiifoartemarideK+.Culorileevidenţiazăsubunităţileproteice.Sursă:RCSBProteinDataBank.

Proteinătetramerică(simetrietetraedrică) Proteinăhexamerică(simetriehexagonalăplană)

45

Proteinăhexamerică(simetrieprismătriunghiulară) Proteinăhexamerică(simetrieoctaedrică)

Proteinăoctamerică(simetrieoctaedrică) Proteinăoctamerică (simetrieprismăpătratică)

Pentruaatingeoanumităfuncţiespecifică,existămaimulteargumentecaredemonstreazădeceunansambludesubunităţiîmpachetateîndiferiteconformaţiitridimensionaleestemultmaiavantajosdinpunctdevederealevoluţieimaterieivii,faţădeomoleculăgiganticăasamblatădoarprinlegăturicovalente.Unuldinmotiveesteacelacăpentrucodificareauneiastfeldeproteine(custructurăcuaternară)estenevoiedeocantitatemultmaimicădeADN,deoarecemonomeriideţineiînşişiinformaţiadeauto‐asamblareînconfiguraţiimultimerice.Deasemenea,subunităţilecufuncţiiparticularepotficombinatecualtesubunităţiînscopulrealizăriideproteinecucomplexitatefoartemareşicufuncţiinoi,diferitedecelealesubunităţilordincareauluatnaştere.

I.6.2.Structuraşirolulmembranelorvii

Membranaesteunconstituentcelularcăruiamultăvremeis‐aacordatunrolmaimultsaumaipuţinpasivînviaţacelulei,înspecialroluldeizolareşideapărarefaţădemediu.Înschimburilecumediul,dictatedecaracterulde„sistemdeschis”alcelulei,membranaeraprivităcaunfeldebarierămecanică,asemănătoareuneisite.Astăziestecunoscutfaptulcămembranaplasmatică,caşialtemembranevii,auostructurăcomplexăşiîndeplinescnumeroasefuncţii,majoritatealegatedeprocesemetabolicefundamentale.Prezenţamembranelorestestrânslegatădenecesitateaexistenţeiunorcompartimente,învedereadirijăriişicontroluluifluxuluidesubstanţeşienergie.Membraneleviiauproprietăţidesemipermeabilitateşideselectivitate.Transportulselectivdesubstanţedincelulăşicătrecelulăesteîngeneralunprocesactiv,adicăareloccuconsumdeenergiemetabolică,fiindmijlocitdeanumitestructurialemembranei(transportorispecifici).Înacelaşitimp,membraneleconstituiesediulunorenzimesaucomplexefuncţionalecurolimportantîninter‐conversiaşistocareadiferitelortipurideenergii,îndesfăşurareaşicontrolulunorreacţiibiochimice,înrecunoaştereaunormoleculecuroldestimulietc.

Cercetărileaudoveditcămembranelesuntformate,înesenţă,dinlipide(maialesfosfolipide)şiproteine.Moleculelefosfolipidicesuntdispuseîntr‐unstratdublu,astfelîncâtpărţilelorhidrofobevinîncontactunelecualteleformândinteriorulizolatalmembranei,iarextremităţilepolarerămândescoperitespreexteriorulşi,respectiv,interiorulcelulei.Poziţia

46

proteinelorîncadrulmembraneloresteîncăunsubiectdediscuţie,darcelemaimulteobservaţiiexperimentalesuntînconcordanţăcuaşa‐numitulmodelalmozaiculuifluid(fluid‐mosaic‐membrane).Acestmodelsebazeazăpecercetărimodernedemicroscopieelectronică,maialesprinfolosireatehniciidefracturareprinîngheţare1(freeze‐fracture‐technique).Combinatecualtecercetări,asemeneaobservaţiiconfirmăideeastratuluidubluşiindicăfaptulcăprintremoleculelefosfolipidice,saulasuprafaţalor,seaflămoleculeproteice(dinlocînloc).Uneledintreeletraverseazăcompletmembrana,iaraltelenumaiparţial.Printreacesteaseaflăcomplexelipoproteicecurolenzimaticsaudetransport,moleculeglicoproteicecurolantigenicetc.

Fig.9.Structuramembraneicelulare

Înceeacepriveşteatribuireaînsuşiriide„fluid”,aceastarezultă,deasemenea,dinobservaţiiexperimentale,careatestăfaptulcăexistăomişcarelateralăcontinuăînplanulmembranei,lacareparticipănunumaifosfolipidele,cişiproteinele.Înschimb,mişcareaînplanperpendicular,adicăschimbuldefosfolipideîntrestratulinternşicelexternalmembranei,esteextremderară.Toateacesteobservaţiiindicăfaptulcămembranaesteun„fluid

1Aceastătehnicăconstăînexaminareauneireplicifine(obţinutăcuajutorulunorelectroziplatină‐carbon)asuprafeţeidescoperiteînurmafracturăriipieselorîngheţate.Constatareacares‐afăcutestecăfracturareaareloc,depreferinţă,întreceledouăstraturilipidice,astfelcăestedezvăluitătocmaistructurainternăamembranei.

47

structurat”careîşipăstreazăformaşiintegritateageneralăşiaicăruicomponenţiindividualisuntîntr‐ocontinuămişcare.

Multedincunoştinţeledesprestructuraşifuncţionareamembraneloraurezultatdinstudiulunormembraneartificiale,adicăaunormembranemodel.Dinmultitudineadevariante,douămodelesuntdeosebitdeimportante,elefiindmodeleartificiale,cuajutorulcăroraaupututfireproduseşistudiateanumitefuncţii,exactcaîncazulmembranelornaturale.Înambelecazuriestevorbadespremembranelipidice(înparticular,fosfolipidice),custratdublu(„bilayerlipidmembranes”).Primulmodelestevezicular,cunoscutşisubnumeledeliposom1,iarcelălaltesteplan,cunoscutsubnumeledemembranălipidicăneagră.

Avantajulliposomilorconstăînfaptulcăpotfiformaţiîntr‐oanumităsoluţie,iarapoi,prinmetodedefiltrarepecoloanespeciale,sepoateschimbacompletmediullordesuspensie.Înfelulacestaserealizeazăodiferenţădeconcentraţiesau/şidecompoziţieîntreinteriorşiexterior,iarapoiseurmărescschimburileceaulocspontansauprinmijlocireaunortransportorispecifici,maicuseamăaşanumiţiiionofori2(transportorideioni).

Ceadeadouacategoriedemembranemodel(membranelelipidicenegre)sedeosebescdeliposomiprinfaptulcăsuntplaneşiauîncorporatînstructuralorunsolventorganic(deex.acetonă),încareaufostdizolvateiniţiallipidele.Membranaseformeazăînmodspontanînurmaîntinderiisoluţieidelipidepesteunorificiudeaproximativ1mm2,practicatînpereteleuneidespărţiturisaualunuivasmicdeteflonsau

polietilenă.Acestemembraneparnegredeoarece,ladimensiunilelordeaproximativ50Ånureflectărazeleluminoase.Avantajulîlconstituiedimensiunilerelativmarialecelordouăcompartimentepecareledespartemembrana,elefiindastfeldirectaccesibileunormăsurătorimacroscopicecuajutorulelectrozilordepHsauacelorspecificipentrudiverşiioni,precumşimăsurătorilorelectricedeconductibilitateşicapacitatespecifică.

Încazulambelormodele,darmaialesîncazulliposomilor,aufostpuselapuncttehnicipentruîncorporareaunorproteine(deex.complexeenzimaticesaudetransport),astfelîncâtaupututfirealizateşistudiateanumitefuncţii,exactcaîncazulmembranelornaturale,darcuavantajulsimplităţiişialposibilităţilormultipledemanipulareşicontrolpecareleoferămembranelemodel.

1Existădiferitemodeledeaobţineliposomi,dintrecareceamairapidăşisigurăesteceaaultrasonării.Materialulfosfolipidic,extraschiardinmembranenaturale,estesuspendatîntr‐osoluţieapoasăşisupusacţiuniiultrasunetelor.Laînceput,prindispersarealipidelor,seobţineosoluţielăptoasă,încarepredominăveziculecumaimultestraturiduble,întrecareafostînchisăocantitateoarecaredesolvent.Pemăsuradispersăriitotmaiaccentuate,soluţiaseclarificăcomplet.Înacestmoment,s‐aatinsstadiuldeliposompropriu‐zis(veziculăcuunsingurstratdublu).Compoziţia,structuraşicomportareacesteiveziculeestefoarteapropiatădeceaamembraneiplasmatice.2Ionoforiisunttransportatorimaimultsaumaipuţinspecificipentruanumiţiioni.Eipotfifolosiţipentrutransportulunorioniprinmembranenaturalesauartificialeşi,dinstudiulcaracteristicilordetransport,sepotfaceanumitededucţiireferitoarelamecanismultransportuluişistructuramembranei.Ceimaicunoscuţiionoforifacpartedingrupulantibioticelor,fiindmoleculepolipeptidice.

Secţiuniprinstructuricarepotfiformatedemoleculeledefosfolipideînsoluţiiapoase.

48

PARTEAAII‐ABiofizicăcelulară

Problemageneralăaorganizăriimaterieivii(dinoriceorganism)includebiosintezamultitudiniidecomponenţimolecularişiasamblareaacestormoleculeînstructuriordonateformândorganitele,celuleleşi,înultimăinstanţă,întregorganismul.Asamblareamoleculelorbiopolimericeînstructuridenivelsuperioresteunprocesdeauto‐asamblare,caredecurgedintendinţafiecăreimoleculedeaajungeînpoziţiaminimuluideenergieliberăposibilăîncondiţiiledate.Deşiviaţaesteunansambludeprocesecaresuntîndepărtatedestareadeechilibrutermodinamiciarentităţilebiologicesuntstructuridisipative,ansamblurilemolecularetindsăsegăseascăînstareacuenergieminimăcompatibilăcubariereleenergeticeexistenteînsistem.Ansamblulacestorbarieredefineştecaracteruldisipativalstructurii.

Celulelereprezintăunsistemtermodinamicdeschis.Înrelaţiilecumediulînconjurător,celularecepţioneazămesajelesubformădecuantedeenergie,substanţăsauinformaţiepecarelerecunoaşte,leinterpreteazăşileapoileprelucrează.Coordonându‐şiactivitateaînfuncţiedeparticularităţilemediuluiambiant,celulaestecapabilădeacomunicacustructurileînanturajulcăroraseaflă.Comunicareadintrecelulesefacepecalechimică,prinintermediulmediatorilorchimicisauaneurotransmiţătorilor.Unmesajchimicestereprezentatprintr‐omoleculăcareesterecunoscutădecătreoaltămoleculăsaufracţiunemolecularănumitămoleculăreceptoare,localizatăînstructurabiomembranelor.Moleculelereceptoare,constituiedinacestpunctdevedereadevărateantenemoleculare,adevărateplatformepentruchemo‐recepţie.

Moleculamesaj,numitămoleculăagonist,dacăestehidrofilă,nupoatepătrundeîninteriorulcelulei,datorităfaptuluicănupoatetraversamembranalipidică.Înacestcaz,mesajullortrebuieprelucrat,adicăestecodificatşiapoiestetransmisîninteriorulcelulei.Exemplu:(veziFig.10)receptorulmembranarocupatdeomoleculămesagerăactiveazăoenzimămembranară(adenilatciclaza).AceastascindeazămoleculadeATPlacAMP,moleculăcarefacepartedingrupulnucleotidelorciclicecuroldemesagersecundarintracelular.Larândulsău,cAMPactiveazăîncontinuareoaltăenzimă,proteinchinaza,caremaideparte,fosforileazăuneleproteinedincitosol,transformându‐leînenzimecapabilesămodificeoproteinăXîntr‐oproteinăY.Înacestmodareloccodificareamesajuluiiniţial,înmesajeintracelularecaresuntînacelaşitimpşiamplificatenumeric.Receptoriisunt,deregulă,proteine,deoarecenumaiacesteapotprezentastructuritridimensionalesuficientdecomplexeşivariatepentruaseasiguraomarespecificitatederecunoaştereîntremoleculamesagerăşiceareceptoare.Cândarelocoastfeldecuplare,seiniţiazăunlanţdereacţiifizico‐chimice.Înprimulrând,princuplareadintremoleculamesagerăşiceareceptoare,semodificădipol‐momentulstructuriinoucreateşiprininteracţiunicudipol‐momentelemoleculelorvecine,semodificăîntregdipol‐momentulmembranar.Înconsecinţă,auloc,înprimulrând,reacţiideorientareşireorientareastructurilormolecularemembranare,caracterizateprinapariţiaunormişcărimolecularedemaimulttipuri:

‐detranslaţiemolecularăînporţiunilesuperficialeinternesauexterneamembraneicelulare.

49

‐mişcăriflip‐flopdemigrareauneimoleculedepeopartepecealaltăamembraneicelulare.

Fig.10.Înrelaţiileoricăreicelulecumediulextern,unrolesenţialîlaureceptoriidinmembrană

Acestemişcărivorconducelaoreorganizareşioremaniereastructurilormembranarecareaudreptconsecinţădeschidereasauînchidereaporilormembranariprecumşimodificareadimensiunilorporţilorioniceşimoleculare.

Farmacologiauconstatcăuneleprodusefarmaceuticesuntcapabilesăselegespecificdeuniireceptorinaturali,darsuntincapabilesăproducăunefectfiziologicindiferentdeconcentraţie.Acestesubstanţeaufostnumitesubstanţeantagonistefaţădeunanumitreceptor,pentrucăblocheazăreceptorul,acestadevenindincapabildeamaiprimimesajulmolecularnatural.Înreacţiilereceptor‐agonist,pedeoparte,şireceptor‐antagonist,pedealtăparte,sedistingurmătoareleparticularităţifuncţionale:

‐efectuldecompetitivitate;‐efectuldesaturaţie;‐efectuldereversibilitate;

50

Dinconsiderenteinsuficientelucidate,seconstatăcăîntr‐osituaţiedetipul:receptor‐agonist‐antagonist,probabilitateadecuplareareceptoruluicuantagonistulestemaimaredecâtceadecuplarecuagonistul.Deoarecedensitateadereceptoripeunitateadesuprafaţămembranarăestelimitată,înmecanismuldecuplareareceptoruluisevamanifestaşiefectuldesaturaţie,acestefectfiindlafeldeimportantcaşicaracteruldecompetitivitatedintreagonistşiantagonist.

Întotdeauna,cuplareareceptoruluicuagonistulvafiurmatădeodecuplarenaturală,datorităexistenţeicelpuţinaunuisistemenzimaticdedecuplare.Acestavaducelaeliberareamoleculeireceptoareşilareluareacicluluifuncţional.Deoarece,pentrumoleculeleantagonistenusecunoaşteunmecanismenzimaticdedecuplare,sistemulreceptor‐antagonistcuplatprezintăomaimarestabilitate,decioreversibilitatescăzută,ceeacearecaefectscoatereatemporară(sautotală)dincircuitulfuncţionalalunuinumărmaimicsaumaimaredereceptorimembranari.Printr‐ocomparaţieforţată,sepoateafirmacă,atuncicândantagonistulocupăloculagonistului,sepetreceunfenomensimilarcusituaţiaîncareîntr‐unlacătseintroduceunobiectcareîmpiedicăcheiasăpătrundăşisă‐ldeschidă.Acestfaptareoimportanţăfarmacologicădeosebităpentrucăs‐auelaboratmultemedicamentecuacţiuneantagonistă.Astfeldemedicamentesuntantihistaminelemenitesăblochezeefectulpatogenalhistaminelor1înproducereaulcerelorgastrice.Totasemănătoracţioneazămedicamentelebeta‐blocante,careînmodspecific,împiedicănoradrenalinasăsefixezepereceptoriieicardiaci,prevenindinstalareaunorafecţiunicardiovasculare(hipertensiunesauinfarctmiocardic).

II.1.Fenomenedetransportprinbiomembrane

Existenţaceluleiviicasistemtermodinamicdeschisimpuneprezenţaunuischimbpermanentdesubstanţeîntremediulexternşicelintern.Acestlucrupoatefirealizatatâtprindistrugerealocalăaintegrităţiimembranei,cumestecazulproceselordefagocitoză(înglobareaunorparticulerelativmariprinemitereadepseudopode)şipinocitoză(înglobareaunorpicăturimiciceconţinanumitesubstanţeprinformareauneiinvaginaţiilocale),saucupăstrareaintegrităţiimembraneiprinprocesededifuzieşitransportactiv,adicăprinprocesebazatepepermeabilitateamembranei.

II.1.1.Transportulpasiv.

Considerândfaptulcăatâtmediulinterncâtşicelexternsuntconstituitedinsoluţiiapoase,procesulfizicprimordialcarestălabazaschimbuluidesubstanţăîntrecelulăşimediuestedifuzia.Întrucât,înacestcaz,gradientuldeconcentraţiesestabileşte,practic,peodistanţăegalăcugrosimeamembranei,legeaîntâialuiFick2poatefiscrisăastfel:

⋅ ⋅ ⋅ ⋅ (2.1)

Unde:c1şic2reprezintăconcentraţiilesubstanţeiconsideratedeoparteşidealtaamembranei,Preprezintăcoeficientuldepermeabilitate(vitezadepătrundereprinmembranăpentrudiferitesubstanţeînanumitecondiţiidatealediferenţeideconcentraţie‐m/s)şiAreprezintăariasuprafeţeidedifuziune(m2).Asemeneacoeficienţipotficalculaţidoardacăse

1Histaminaesteosubstanţăbiologicăimplicatăatâtînrăspunsulimuncâtşiînreglareafiziologicăafuncţiilortubuluidigestiv(stomac,intestin)undeacţioneazăcaunneurotransmiţător.Aceastasegăseşteaproapeîntoateceluleleorganismuluianimal.Noiinvestigaţiiindicăcăhistaminajoacăunrolimportantşiînchemotaxiaceluleloralbedinsânge.Celuleleparietaleproducacidgastric(acidclorhidric)carăspunslacuplareacu:histamina(agonist)prinintermediulreceptorilorH2‐histaminici,cuacetilcolinaprinintermediulreceptorilorM2şicugastrinaprinintermediulreceptorilorCCK2.ReceptoriihistaminiciacţioneazăprincreştereacAMPintracelularîntimpcereceptoriimuscarinicişigastriniciinduccreştereaCa2+intracelular.AtâtcAMPcâtşiCa2+intervinprinintermediulproteinchinazelorînintensificareatransportuluiaciduluiînstomac.2AdolfEugenFick(1aprilie1828–21august1901),fiziologgermancreditatpentruinvenţialentilelordecontactşipentrulegiledifuziei(douăprincipii),legicareguverneazădifuziaunuigazprintr‐omembranăfluidă(1855).

51

măsoarăfluxuriledesubstanţă(influxulsau/şiefluxul),adicăcantitateadesubstanţăcareintrăsauiesedincompartimentulconsideratînunitateadetimp.Desigur,pentrucalculestenevoiesăsecunoascăsuprafaţadeschimbşidiferenţadeconcentraţieasubstanţelor.Celemaimodernemetodedemăsurareafluxurilorsebazeazăpefolosireaizotopilorradioactivi.Prinfolosirealor,s‐apututdeterminacuprecizievaloareacoeficienţilordepermeabilitatepentrudiferitemembraneşisubstanţe.

Dacăluămînconsiderarecompoziţiachimică(predominantlipidică)amembranelorbiologice,estedeaşteptatcasubstanţeleliposolubilesăaibăcoeficienţimaridepermeabilitate.Defapt,pentrumulteasemeneasubstanţepermeabilitatealoresteproporţionalăcucoeficientuldepartiţieulei/apă(raportuldintreconcentraţiasubstanţeiînuleişiapă,dupăstabilireaechilibruluideoparteşidealtaauneiinterfeţeulei/apă).Interesantesteînsăfaptulcăunelesubstanţecarenusedizolvăînlipide(apă,ioni,aminoacizi,glucozăetc.)pătrundrelativuşorprinmembrană.Înacestcaz,seconsiderăcăexistăstructurispecifice,anumiţiporisauchiartransportori,carefaciliteazăpătrundereaacestorsubstanţe.Mecanismul,evident,nuesteacelaşipentrutoatecategoriiledesubstanţe.Înunelecazuripătrundereapoatesăfiepasivă,înconformitatecuanumiteforţefizico‐chimice,iarînaltecazuripoatefiactivă,cuconsumdeenergiemetabolică.

Înconformitatecuecuaţia(2.1),s‐arpăreacăsinguraforţăcaredeterminădifuziaestediferenţadeconcentraţie.Nutrebuieuitatînsăcă,încazulmembranelorvii,existăşiopolarizareelectricăaacestora.Potenţialuldemembranăconstituieşieloforţăimportantădedifuzie.Vorbindîntermenitermodinamici,energialiberăutilizatăînprocesuldedifuzieestedatădeunpotenţialelectrochimic.Însensmaigeneral,esteposibilsăintervinăşiungradientdepresiuneşichiarunuldetemperatură,daraceştianuconstituiefactorideimportanţăuniversalăînsistemelebiologiceşi,deaceea,nuvorfiluaţiîndiscuţie.

Substanţelecusarcinăelectricănusedistribuieînconformitatecugradientuldeconcentraţie(încazuldefaţă,cudiferenţadeconcentraţieîntreceledouăfeţealemembranei),deoareceelesuntsupuseambelorcomponente(şielectricăşideconcentraţie)alegradientuluielectrochimic.Înfelulacesta,elesepotacumulaîmpotrivadiferenţeideconcentraţie,peseamapotenţialuluielectric.Deexemplu,pătrundereaunuication(C+),acăruiconcentraţieesteiniţiallaechilibruchimic,vafifavorizatădeexistenţaunuipotenţialdemembranăcupolaritatea(+)laexteriorşi(‐)lainteriorşivafifrânatădeunpotenţialcupolaritateinversă.Concentraţiafinalăaionuluiînfiecarecompartimentvafidictatădelegeaechilibruluielectrochimic.ValoareapotenţialuluilaechilibruestedatădelegealuiNernst1.Încazulîncareestevorbademaimulţiioni,sescrieoecuaţiedetipNernstpentrufiecaredinei,iarpotenţialultotalvafiosumădepotenţiale.Pentruionimonovalenţiformaecuaţieieste:

∑ ∑

∑ ∑

Dacăseexpliciteazăpentruioniimonovalenţicaresuntimplicaţiînpotenţialulderepausamembraneicelulare(Na+,K+,Cl‐)atunciecuaţiademaisussepoatescrie:

1WaltherHermannNernst(25iunie1864–18noiembrie1941),fizician‐chimistgermancunoscutpentruteoriileprivitoarelacalculareaafinităţiichimice,concretizateînaltreileaprincipiualtermodinamiciişipentrucareaprimitpremiulNobelpentruchimieîn1920.Nernstacontribuitlastabilireaunornoidirecţiiînchimia‐fizicăaducându‐şiaportulînelectrochimie,termodinamică,chimiastăriisolideşifotochimie.Deasemeneaestecunoscutpentruecuaţiacare‐ipoartănumele: unde:Eestepotenţialulredox,Resteconstanta

universalăagazelor(8,3143J/mol·K=0,082L·atm/K·mol=62400cm3·mmHg/K·mol),TestetemperaturaabsolutăexprimatăîngradeKelvin,nreprezintănumărulsarcinilorelectricealeionuluiconsiderat,FesteconstantaluiFaraday(9,64870·104C/mol),c1şic2reprezintăconcentraţiileionuluiconsideratîncompartimentul1respectiv2.

52

Caregulăgenerală,oricetransportcaresefaceconformgradientuluielectrochimicesteconsideratdrepttransportpasiv.Există,însă,şiuncazspecialdetransportpasiv,aşa‐numitadifuziefacilitată.Şiînacestcaz,procesulsesupunereguliidemaisus,darsedesfăşoarăcuovitezămultmaimaredecâtodifuziesimplă.Cualtecuvinte,exactcaîncazulreacţiilorcatalizate,nivelulechilibruluifinalnuesteafectat,darseatingemultmairepede.Deaceea,acesttipdetransportpoatefidescris,formal,printr‐ocineticădetipMichaelis‐Menten1(valabilăpentrureacţiileenzimatice).Caexemplededifuziefacilitatăpotfiamintite:transportulglucozeiprinmembranahematiei,transportulionilorK+înprezenţavalinomicinei(prinmembranenaturaleşiartificiale)şitransportulapei.Încondiţiideechilibruosmotic,apasesupunelegilorobişnuitealedifuziei.Încondiţiidedezechilibruosmotic,apaestetransportatămultmairapid,caşicumtrecereaunormoleculedeapăarantrenatrecereaaltora.Acestaspectimplicăexistenţeiunorstructurispeciale(porisautransportori)caresăfavorizezetrecereaapeiînanumitecondiţii,aşacumseparecăexistăîncazulaltorprocesededifuziefacilitată.Esteimportantdesubliniatcătransportorulglucozeidinhematiiafostizolatşireconstituitînliposomi,realizându‐sefenomenedetransportspecifice(sensibilelaaceiaşiinhibitoricaşiprocesulnatural).

II.1.2.Transportulactiv.

Ideeacareastatiniţiallabazaacordăriinumeluidetransportpasivafostaceeaaneintervenţieiactiveacelulei(fărăconsumdeenergiemetabolică).Laoanalizămaiatentă,acestlucruparesăfieadevăratîntoatecazuriledefinitecatransportpasiv.Deexemplu,potenţialuldemembrană,carepermiteacumulareaunorsubstanţeîmpotrivagradientuluideconcentraţie,darînconformitatecugradientulelectrochimic(deci,dupăregulatransportuluipasiv),esteînfondmenţinutpebazădeconsummetabolic.Chiarşiîncazuldifuzieifacilitateseridicăproblemaoriginiişi„întreţinerii”structurilorspecifice(atransportorilor)careparticipăînacestproces.Dinacestpunctdevedereesteevidentcă,pentrusintezaşiîntreţinerealor,s‐aconsumatşiseconsumăenergie.

Înopoziţiecutransportulpasiv,transportulactivsedefineştecafiindaceaformădetransportcarenecesităenergiemetabolică.Dupăcums‐aprezentatmaisus,aceastăcondiţieesteînsăfoarterelativă,deoarecemultedintransporturilecalificatecapasivenecesită,înultimăinstanţă,energie,elefiindcuplate(chiardacăînmodindirectşiîndepărtat)cuunprocesmetabolicfurnizordeenergie.Înunelecazuri,aceastăcuplareesteevidentă,imediată,şi,caatare,aufostcatalogatădrepttransportactiv.Existădiferitemetodedeadecideasupracaracteruluiactivsaupasivalunuianumitfenomendetransport.Sepoateaminti,înacestsens,aşanumitametodăacurentuluidescurtcircuitcareseaplicănumaiîncazulmembranelormari(epitelii).Aceastaconstăînaplicareaunuipotenţialcaresăanulezegradientuldeconcentraţieşipotenţialulelectriccedeterminăfluxurilepasiveşimăsurareaconsecutivăacurentuluielectricdintreceledouăcompartimente,curentcaresedatoreazăfluxuluiactivdeioni(veziFig.11).Ometodămaisimplăşicuaplicabilitategeneralăesteceaautilizăriiunoragenţiblocanţispecificişi,respectiv,aunoragenţiinhibitoriaiproceselorgeneratoaredeenergie(înprimulrândaloxidăriifosforilante).Dinprimacategoriefaceparteglicozidulcardiacnumitouabaină,careblocheazăpompadeNa/Kdinmembranacelulară,aşacumsevadescriemaijos.Dinadouacategoriefacepartecianuraşiazidacainhibitoriairespiraţieişioligomicinacareblocheazăformareaşi(sau)utilizarealegăturilorfosforicemacroergice.Întrucâtcaracteristicaprincipalăatransportuluiactivesteaceeaacuplăriicuunprocesfurnizordeenergie,acestprocesvafidetaliatînceleceurmează.Seştiecăforma

1EcuaţiadecineticăMichaelis‐Menten(dupănumelecelorcareaudezvoltat‐o,LeonorMichaelisşiMaudMenten)descrieînmodaproximativcineticamultorenzime.Modelulcineticesterelevantînsă,doarînsituaţiileîncareseadmitfenomenedecineticăsimplă,adicănuintervinfenomenedealostericitatesaucooperativitate. undev0reprezintăratainiţialădereacţieraportatălaoconcentraţiea

substratuluinotatăcu[S].vmaxreprezintăratamaximădereacţie,iarKMesteconstantaMichaelis‐Menten.

53

chimicăesenţialădeînmagazinareaenergieiîncelulăesteATP‐ul.DacătransportulseefectueazăcaoconsecinţădirectăautilizăriienergieieliberateprinhidrolizamoleculeideATP,atuncisevorbeştedespreuncuplajdirect(transportactivprimar).

Fig.11.SchemadispozitivuluidedeterminareatransportuluiactivdeNa+prinpieleadebroască:

K1,K2suntelectrozidecalomel;A1,A2suntelectrozideargint‐argintclorurat.

AşaseparecăestecazulunorpompedeionidetipulceleideNa/KşiaceleideCa2+.ÎnceeacepriveşteioniideNa+şiK+,concentraţiilelor,deoparteşidealtaamembranei,suntmenţinutedepompadeNa/Kcare,înacestcaz,reprezintămecanismulactivdemenţinereaasimetrieiioniceamembraneicelulare.PrinacţiuneaeisemenţineoconcentraţieridicatădeNa+laexteriorşiK+lainterior,faptcarereprezintăocondiţieesenţialăatuturormanifestărilorelectricealecelulei.

Enzima(ATP‐aza)aredouăforme;E1şiE2 carefuncţioneazăciclic,transformându‐seunaînalta,înurmaunorschimbăriconformaţionaledictatedeprezenţaionilorimplicaţişiaenergieifurnizatedeATP.Pentruoînţelegeremaiuşoarăaschemei,sevapornicuformafosforilatăE2‐Plaexterior.AceastăformăestesensibilălaionulK+pecareîlfixează,formândcomplexulKE2‐Pcetraverseazămembranaspreinterior(conformgradientuluideconcentraţieaacestuicompus),undefosfatul(Pa)esteeliberatsubacţiuneauneienzimehidrolizante.Complexulrămas(KE2)estesensibillaionulNa+caredeterminăoschimbareconformaţionalăcueliberaredeK+şifixaredeNa+.FormaNaE1determinăhidrolizauneimoleculedeATPşiformareacomplexuluimacroergicfosforilat(NaE1~P)caretraverseazămembranaspreexterior(totconformgradientuluideconcentraţie),undeelibereazăionulNa+,avândlocoschimbarelaformaE2‐P(cucares‐aînceputdescriereaciclului).

Fig.12.ModelulschematicalfuncţionăriipompeideNa+/K+,caATP‐azădependentădeaceştiioni

ÎntrucâtoastfeldepompăestedependentădeenergiafurnizatădehidrolizaATP‐ului,sepoatespunecă,defapt,estevorbadespreoenzimă(ATP‐ază)dependentădeNa+şiK+.Bazatpeobservaţiiledinliteraturăşipeexperimenteleproprii,RobertL.Post(1974)apropusoanumităschemă(veziFig.12)afuncţionăriiacesteienzimecasistembiochimic.Rezultateleacesteischemesunttranspuselasituaţiaconcretăamembraneicasăsepoatăînţelegefuncţionareaacestuicomplexcasistembiofizicdetransport.Organizareaciclului,conformfiguriimenţionate,sebazează,printrealtele,peurmătoareleobservaţii:

A1 A2 K1 K2

V = 0

agar

Membrană (Epiteliu)

agar

Soluţie fiziologică

NaE

1~P

NaE1

ADP ATP K+ Na+ Pa H2O Int.

KE2

KE2 -P

NaE1~P KE2-P E2-P

oligomicina ouabaină K+ Na+

Ext.

MEMBRANA CELULARĂ

54

‐Na+trebuiesăseaflelainteriorşiK+laexteriorpentruadeterminaactivareaenzimeişiatransportuluiacestorioni;‐ouabainablocheazăfuncţionareapompeinumaidacăseaflălaexterior;‐oligomicinaîmpiedicăeliberareaionuluideNa+dincomplexulNaE1~P;‐loculdeacţiunealATP‐uluiestelainterior(citoplasmă).

Înaltecazuri,hidrolizaATP‐uluiestecuplatăcutransportulunorionidiferiţideceiîncauză,înspecialcutransportuldeprotoni(H+),princareserealizeazăungradientelectrochimicacăruienergieestefolosită,înfinal,pentrutransportulionuluiconsiderat(veziFig.13).

Fig.13.Cuplajindirectaltransportuluidesubstanţe,cudegradareaATPului

(simportsaucotransportalunuianionA‐cuprotonulH+).

II.2.Canaleionice

Canaleleioniceregleazăfluxulionilorprinmembranălatoatecelulelevii.Acesteasuntproteinemembranareintegralesaumaiprecisunansambluformatdinmaimulteproteine.Astfeldeansambluriproteicecumultesubunităţiimplicăderegulăunaranjamentcircularamaimultorproteineidenticesauomoloage,împachetatefoarteaproapeunadealta,formândunporprinbistratullipidicalmembranei.Subunitatea(subunităţile)careformeazăporulreprezintăsubunitatea(subunităţile),iarsubunităţileauxiliaresuntnotatecu,,ş.a.m.d.Întimpceunelecanalepermittrecereaionilordoarpebazasarciniilorelectrice,majoritateacanalelorsuntreprezentatedeporicuodeschidereegalăîndimensiunecudiametrula1‐2atomiînloculcelmaiîngust.Aceştiporipermittrecereadoaraunuitipdeion,cumarfiNa+sauK+,transportându‐lprinmembranăcuovitezăsimilarăceleicucareacestasemişcăliberîntr‐osoluţie(milioanedeionipesecundă).Launelecanaleionice,trecereaprinporestefacilitatădeopoartăcarepoatefideschisăsauînchisădeunsemnalchimicsauelectric,detemperaturăsaudepresiune.

Carolbiologic,canaleleionicesuntfoarteimportanteîncadrulsistemuluinervos,undeaurolîngenerareaşitransmitereaimpulsuluinervosşiundesegăsescînnumărfoartemare.Înconsecinţă,multetoxineofensivesaudefensive,întâlnitelaogamălargădespeciideanimale(veninulşerpilor,scorpionilor,păianjeniloretc.)acţioneazăprinblocareaacestorcanale.Înplus,canaleleionicefigureazăcafacilitândomarevarietatedeprocesebiologicecepresupunschimbăriîncelulă,cumarfi:contracţiamuşchiuluineted,cardiacşischeletic,transportulepitelialalnutrienţilorşialionilor,activareacelulelorT(limfocite)saueliminareainsulineidecătrecelulelebetadinpancreasş.a.m.d.Încăutareaunornoimedicamente,ţintaprincipalăoauacestecanaleionice.Canaleleionicesuntclasificate,fiedupănaturafactoruluiimplicatîndeschiderea/închidereaporţii,fiedupătipulionilorpecareîitransportăsaudupănumăruldepori.Dupăfactorulimplicatîndeschidereasauînchidereaporţii,canaleleionicesepotgrupa:

II.2.1.Canaleionicevoltajdependente(voltage‐gated)

II.2.1.1.CanaledeNa+voltajdependente.Acesttipcuprindenouăsubtipurişisuntrăspunzătoaredegenerareaşipropagareapotenţialuluideacţiune.Canalulesteformatdintr‐osubunitatededimensiunefoartemare(aprox.4000aminoacizi)asociatăcualteproteinedreptsubunităţi(veziFig.14).

A-int. H+int.

H+ext.

ATP

ADP+Pa

Oxidare, etc.

A-ext.

55

Subunitateaestealcătuitădinpatrudomeniiomoloage(I‐IV),fiecaredomeniufiindalcătuit,larândullui,din6segmente(S1‐S6)transmembranare,deciîntotalde24desegmentetransmembranare.Laacesteasemaicoasambleazăoseriedesubunităţicaretraverseazămembrana.Atâtsubunităţilecâtşisuntputernicglicozilate(adiţiazaharidelorlaproteineşilipide).

SubunitateaacanaluluideNa+voltaj‐dependentvăzutădinexteriorulmembraneicelulare.Princuloridiferitesuntreprezentatecele4domenii,fiecarefiindconstituitdin6segmentetransmembranare.Segmentulcoloratcunegrudincadrulfiecăruidomeniuestesenzoruldevoltaj.

SecţiunetransversalăprinsubunitateaacanaluluideNa+voltaj‐dependent.PrinculorileroşuşiverdesuntevidenţiatedomeniileIIIrespectivIV.Cunegruesteevidenţiatsegmentulcuroldesenzordevoltaj.

Fig.14.ModelulschematicalcanaluluideNa+voltajdependent.

II.2.1.2.CanaledeCa2+voltajdependente.Acesttipcuprindezecesubtipuri.CanaleledeCa2+suntalcătuitedin4tipuridesubunităţi:1,2‐,şi(veziFig.15).Subunitatea1conţineşifiltrulcanaluluiionicavândproprietăţidepoartă.Încadrulacesteisubunităţisunt4domeniiomoloageconţinând6helixuritransmembranare.Patrudintreacesteşasehelixuriformeazăunsenzorelectric(devoltaj).Subunitateaesteformatădinproteinehidrofilecarenusuntglicozilateşideaceeaestesituatăînmediulintracelularşiesterăspunzătoarede„traficul”efectuatprinsubunitatea1.Subunitateaesteoglicoproteinăcupatrusegmentetransmembranaresituatăpepartealateralăsubunităţii1.Subunitatea2esteoproteinăextracelulară,înaltglicozilată,ataşatăsubunităţiiprinpunţidisulfidice.Întimpceunitatea2arerolstructural,subunitateamoduleazăactivareasauinactivareavoltaj‐dependentăacanalului.CanaleledeCa2+voltaj‐dependentejoacăunrolimportantatâtîncorelareadepolarizăriiceluleimuscularecucontracţiacâtşiîncorelareaexcităriiceluleinervoasecueliberareaneurotransmiţătorului.

II.2.1.3.CanaledeK+voltajdependente.Acestecanalesuntesenţialeînstructuramembranelorexcitabile.Elejoacăunroldeosebitîntimpuldesfăşurăriipotenţialuluideacţiune,maialesînscopulrestabiliriipotenţialuluiderepaus.CanaleledeK+reprezintăofamiliecompusădin12subfamiliicereunesc40devariante.CanaleledeK+voltaj‐dependentesuntstructuritetramericecusubunitateaconstituitădin4domeniicucâte6segmentetransmembranare.Cele6segmentececompundomeniulsuntomoloageunuidomeniuîntâlnitlacanaleledeNa+.CorespunzătorcanalelordeNa+,canaleledeK+seasambleazăsubformătetramerică,formânduncanalionicfuncţional.(6TM‐1P).

Filtru pentru selectivitatea ionului

Senzorul de voltaj al domeniului IV

D I

D II

D III

D IV Sit de legare a neuro-toxinei TTX capabilă să inactiveze funcţio-nalitatea canalului

D III

EXTRACELULAR

INTRACELULAR

D IV

Poartă de inactivare

56

Fig.15.ModelulschematicalcanaluluideCa2+voltajdependent(stânga).Implicareacanalelordeprotoni(H+)voltajdependenteînfagocitoză(dreapta)

II.2.1.4.Canaledeprotoni(H+)voltajdependente.Acestecanalesepotdeschideîntimpuldepolarizării,însăeledepindfoartemultdepH(pH‐senzitive).Înconsecinţă,acestecanalesedeschiddoaratuncicândgradientulelectrochimicesteorientatcătreexterior,adică,deschiderealorvapermiteprotonilor(H+)doarsăpărăseascăcelula.Funcţialorestesăopreascăinstaurareauneimediuacidîncelulă.Unrolimportantîlauşiîncazulfagocitelor(euzinofile,neutrofile,macrofage).Cândobacterieesteînglobatădecătrefagocit,NADPH‐oxidaza(nicotinamidadenindinucleotidphosfat–oxidaza)genereazăsuperoxiziprintransferuldeelectronidelaNADPHîninteriorulceluleişiîicupleazăcuoxigenulmolecularformândsuperoxidul(O2‐)veziFig.15.Acestaesteunradicalliberextremdereactivcaredistrugebacteria.NADPH‐oxidazaesteelectrogenăpentrucătransportăelectroniprinmembrană,iarcanaleleprotonice(H+)sedeschidpentruapermitecontrabalansareasarcinilornegativeprinfluxuldeprotoni(H+).

II.2.2.Canaleioniceligand‐dependente(ligandgated)

Acestecanaleseactiveazăsauinactiveazăînprezenţaunuiligand1.Canaleleioniceligand‐dependentesuntcunoscuteşisubnumeledereceptoriionotropi.Acestecanaleseînchidsausedeschidcarăspunslaunireacuunmesagerchimic().Aceştireceptorisuntselectivipentrumaimulţiioni(Na+,K+,Ca2+sauCl‐).Astfeldereceptorisuntlocalizaţilanivelulsinapselorundetransformăsemnalulchimicpresinaptic,reprezentatdeeliminareaneurotransmiţătorului,într‐unsemnalelectricpostsinaptic.Canalulare,deregulă,ostructurătetramericăsaupentamerică,fiecaresubunitateavândînstructurăundomeniuextracelularlacareseleagăligandulşiundomeniutransmembranarformat,înfuncţiedetip,dintr‐unnumărvariabildehelixuri.

1Unligandpoatefiunatom/ionsaumoleculăcareîngeneraldoneazăunulsaumaimulţielectroniprinintermediuluneilegăturicovalentecoordinativesaupuneîncomunelectroniprintr‐olegăturăcovalentăunuiasaumaimultoratomi/ionicentrali.

Subunitatea

EXTRACELULAR

INTRACELULAR

Subunitatea 1 constituită din 4 domenii trans-membranare omoloage repre-zentate prin culori diferite (roşu, ver-de, albastru şi galben)

Subunitatea

Punte disulfidică

Subunitatea 2

Subunitatea

57

Fig.16.Reprezentareschematică,generală,aporţiuniitransmembranare

aunuicanalionicneurotransmiţător‐dependent,înacestcazligandulfiindreprezentatdeunneurotransmiţător.

II.2.2.1.Receptoripentruacetilcolină1(AChR).Aceştireceptorisuntreprezentaţideproteinemembranareintegralecarerăspundlaunireacuneurotransmiţătorulacetilcolină(Ach).Categorisirealorestefăcutăînfuncţiedeafinitatealorrelativăladiferitemolecule.Prindefiniţie,toţiaceştireceptorirăspundlaacetilcolină,dars‐aconstatcăopotfaceşilaaltetipuridemolecule.Dinacestpunctdevederesedeosebescdouăgrupe:

‐nAchR,receptorinicotinicipentruacetilcolină(receptoriionotropi),aceştiasuntdeosebitdereceptivilanicotină.‐mAchR,receptorimuscarinicipentruacetilcolină(receptorimetabotropi2),aceştiasuntdeosebitdereceptivilamuscarină.

II.2.2.2.Receptoripentruglutamat.Aceştiasuntlocalizaţiînmembrananeuronală,glutamatulfiindcelmairăspânditneurotransmiţătordincorpesteprezentînpeste50%dinţesutulnervos.Glutamatulafostiniţialdescoperitlainsecteîn1960.Ceidoireceptoriprimaripentruglutamataufostdenumiţidupăsubstanţeleagonistepentrucareauoînaltăspecificitate:AMPA(α‐amino‐3‐hidroxil‐5‐metil‐4‐izoxazol‐propionat)şiNMDA(N‐metil‐D‐aspartat).

Unadinfuncţiiledebazăareceptorilorpentruglutamatoreprezintămodulareaplasticităţiisinapsei,oproprietateacreieruluiconsideratăvitalăpentrufuncţiadeînvăţareşimemorie.Ocreşteresauodescreştereanumăruluidereceptoripentruglutamat,laocelulăpostsinaptică,poateconducelapotenţarea,respectivinactivareacelulei,petermenlung.Modulareaplasticităţiisinapseiserealizeazăprinreglareasintezeiproteicepostsinapticeprinintermediulsistemuluidemesagerisecundari.Receptoriipentruglutamatsuntîmpărţiţiîndouăgrupe,funcţiedemecanismulcarestălabazaactivăriilorşidă,astfel,naştereimpulsuluipostsinaptic:

‐receptoriionotropipentruglutamat(iGluR)lacareporulcanaluluiionicesteactivatdirectdelegareareceptoruluicuglutamatul.‐receptorimetabotropipentruglutamat(mGluR),aceştiaactiveazăindirectcanaleleionicedinmembranăprinintermediuluneisecvenţedereacţiiceimplicăproteineG3.

1Acetilcolinaesteunneurotransmiţătorprezentatâtînsistemulnervosperifericcâtşiînsistemulnervoscentral.2Receptorulmetabotropesteuntipdereceptorprezentlaceluleleeucariotecaresecomportăasemeneaunuimesagersecundar,putândfilocalizatlasuprafaţaceluleisauînvezicule.Spredeosebiredereceptoriiionotropicareformeazăuncanalioniccuunpordiferenţiat,receptoriimetabotropinuaupor.Aceştiasunt,maidegrabă,legaţiindirectcucanaleleionicedinmembranacelularăprinmecanismedetransducţieasemnaluluiadeseamediatădeproteineG.DinaceastăcauzăeisuntcunoscuţişicareceptoricuplaţicuproteineG.3ProteineleG(guaninenucleotide‐bindingproteins)(proteinecuspecificitatedelegarelaguanină)reprezintăofamiliedeproteineimplicateîntransmitereasemnalelorchimiceînexteriorulceluleidarşicurolîninducereaunormodificăriîninteriorulcelulei.Acesteasuntimplicateîntransducţiasemnalelorchimiceprovenitedelamulţihormoni,neurotransmiţătoridarşidelaalţifactoridesemnalizare.Astfel,proteineleGfuncţioneazăcaşi„întrerupătoaremoleculare”.AtuncicândleagăGTP,elesuntpepoziţiaactiv(on),iarcândleagăGDPsuntpepoziţiainactiv(off).ProteineleGregleazăenzimeimplicateînmetabolism,transportori,canaleioniceşialtecomponentealemecanismelorcelulare(controlultranscripţiei,motilitate,contractilitate,secreţieş.a).

58

II.2.2.3.ReceptoriP2XATP‐dependenţi(ATP‐gated)ReceptoriiP2X(purinoreceptori)suntofamiliedecanaleligand‐dependente,permeabilepentrudiverşicationi,caresedeschidcarăspunslalegareaATPextracelular.Aceştireceptorifacpartedintr‐ofamiliemaimareareceptorilorpurinergiciimplicaţiîndiversefuncţiicelularecumarfireactivitateavasculară,apoptozaşisecreţiadecitochine1.ATP‐ulseataşeazălaobuclă(subunitateproteică)extracelularăareceptoruluiP2Xdupăcarearelocoschimbareconformaţionalăînstructuracanaluluiioniccedeterminădeschidereaporului.AceastapermitetrecereacationilordeNa+şiCa2+îninteriorulceluleideterminânddepolarizareamembraneişiactivânddiverseproceseintracelulareCa2+‐senzitive.Duratadedeschidereacanaluluidiferă.LatipurileP2X1şiP2X3,aceastăduratăestefoartescurtă,închidereacanaluluisefacefoarterepedechiardacăATP‐ulesteîncălegatdebuclaextracelulară.Spredeosebiredeacestea,tipulP2X2rămânedeschisatâttimpcâtATP‐ulrămânelegat.PentrucauncanalP2XsăfieactivatsuntnecesaretreimoleculedeATP.Studiirecenteparsăindicefaptulcăfiecaredinceletreisubunităţi,pecareleareînconstituţiecanalul,trebuiesălegecâteomoleculădeATPpentruaseiniţiadeschidereaporului.Cutoateacestea,mecanismulprecisprincaresedeschideporul,laaceastăcategoriedecanale,nuestepedeplinclarificat.

II.2.2.4.ReceptoriGABAAceştiareprezintăoclasădereceptoricarerăspundlaneurotransmiţătorulGABA(acidgamma‐amino‐butiric),inhibitorprincipalînsistemulnervoscentralalvertebratelor.Existădouăcategoriidereceptori:GABAAşiGABAB.ÎntimpcecategoriaGABAAreuneştereceptoriionotropi,categoriaGABABsuntmetabotropiavândafinitatedecuplarecuproteineG.

II.2.3.Canaleionicedependentedealţifactori.

II.2.3.1.Canaleionicedependentedelumină(light‐gated).Înaceastăcategorieintrăungrupdeproteinetransmembranarecareformeazăcanaleionice(pori)ceseînchidsausedeschidcarăspunslaprezenţaluminii.Acestecanalesecomportăîntr‐omanierăsimilarăcualtecanaleionice.Încazulspecificalcelordependentedelumină,proteineletransmembranaresunt,deregulă,cuplatecuomoleculăcarefuncţioneazăcauncomutatorfotosensibil.Oastfeldeproteinăesteretinalulîntâlnitlacanalelederodopsină.Aceastăproteinăestecapabilăsăabsoarbăenergiaunuifotoncuoanumitălungimedeundăşi,astfel,să‐şischimbeconformaţiadeterminândindirectschimbăriconformaţionalealeproteinelortransmembranareceseconcretizeazăîndeschidereasauînînchidereaporului.

II.2.3.2.Canalenucleotid‐ciclic‐dependente.Acestecanalesuntactivatedecătreunligandchimiccareeste,înacestcazparticular,reprezentatdeonucleotidăciclicăintracelulară,cAMPsaucGMP,şisuntpermeabilecationilormonovalenţi(Na+,K+),foarterarcelorbivalenţi(Ca2+).Acestecanaleauzoneîncărcatenegativsaupozitivcarerăspundlamodificăriapărutelanivelulpotenţialuluidemembrană.Canalelenucleotid‐ciclic‐dependentejoacăunrolimportantînfuncţionalitateadiverselorsisteme,cumarficelolfactivsausistemulvizual.Încadrulanalizatoruluivizual,canalelecGMP‐dependenteaufostidentificatelanivelulmembraneiexterneacelulelorfotoreceptoaredelanivelulretinei.CarăspunslaunnivelridicatdecGMP,canalelesuntdeschiseşipermitcationilorsăpătrundăîncelulă,cauzândodepolarizare(‐40mv,darkcurrent).Dacă,înaceststadiudeîntuneric,unfotonloveştefotoreceptorul,încelulăseproduceoreacţieînlanţcarearecarezultatscădereaconcentraţieidecGMPcauzândohiperpolarizare.Astfel,acestecelulesuntmaimultactivedecâtinactive.Etapeleprincaresegenereazăinformaţiavizualăsunturmătoarele:

1Termengenericpentrumoleculesemnalutilizateîncomunicareacelulară,ex.hormonişineurotransmiţători.

59

‐rodopsinaşiiodopsinadepeparteaexterioarăamembraneiabsorbunfotonschimbândastfelconformaţiacofactoruluiretinaldelaconformaţiacislaconformaţiatrans.‐stadiul1deamplificare‐fiecareastfeldemodificarearecarezultatoseriedeintermediariinstabili,ultimullegându‐sedeoproteinăGînmembranăcareactiveazătransducina(oproteinădininteriorulcelulei).Înaceststadiufiecarerodopsinăfoto‐activatădetermină,larândulei,activareaaaproximativ100detransducine.Fiecaremoleculădetransducinăactiveazăulterioromoleculădefosfodiesterază.‐stadiul2deamplificare‐osingurămoleculădefosfodiesterazăestecapabilăsăhidrolizezeaproximativ1000demoleculedecGMP.ÎntrucâtconcentraţiadecGMPscade,canalelenucleotid‐ciclic‐dependenteseînchid.CaurmareaacestuifaptNa+numaipoatepătrundeîncelulăşifotoreceptorulsehiperpolarizează(încărcareaelectricădepefaţainternăamembraneidevinetotmainegativă).Hiperpolarizareaîncetineştemulteliberareaglutamatului(neurotransmiţătorcapabilsăexcitesausăinhibecelulelebipolarepostsinaptice).Astfelreducereaglutamatuluisevatraduceîncelulebipolarehiperpolarizateşicelulebipolaredepolarizate,înfuncţiedenaturareceptorilor(ionotropisaumetabotropi)prezenţiînterminalulpostsinaptic.

Înacordcumecanismuldescrissepoateafirmacăunfotoreceptoreliminămultmaipuţinneurotransmiţătorcândestestimulatdeluminădecâtlaîntuneric.Acestmecanismparticulararedouăavantaje:

‐înprimulrând,fotoreceptoriicubastonaşesaucuconurisuntdepolarizaţilaîntuneric,ceeaceînseamnăcă,înacestcaz,mulţiionideNa+pătrundîncelulă.Astfel,deschidereasauînchidereaîntâmplătoareacanalelordeNa+nuvaafectapotenţialulmembranei.Numaiînchidereaunuinumărfoartemaredecanale,datoratabsorbţieiunuifoton,vamodificapotenţialulşivasemnalizaprezenţaluminii.Prinurmaresistemulesteimunla„zgomot”.‐înaldoilearând,amplificareafoarteputernicăîndouăetapecreeazăosensibilitatedeosebită,prinfaptulcăunsingurfotonvaafectapotenţialulmembranarşivafiperceputdecreiercastimulluminos.Prinaceastăcaracteristicăsediferenţiazăcelulelecubastonaşedecelecuconuri.Celecubastonaşesuntfoartesensibile,elefiindutileînvedereapetimpdenoapte,iarcelecuconurimanifestăocineticăfoartemareareacţiilorchimice.

II.2.3.3.CanaledeK+redresoare(inward1–rectifierpotassiumchannels,2TM‐1P)AcestecanalesuntreunitesubaceastădenumireîntrucâtelepermittrecereamaimultorsarcinipozitiveK+înspreinteriorulceluleidecâtînspreexteriorulcelulei.Dinpunctdevederefuncţionalauîncomponenţăosubunitateformatădin4domenii,fiecaredomeniuavândîncomponenţă2segmentetransmembranarecareformeazăşiporul.

II.2.3.4.CanaledeK+cudoiporiidentici(twin‐poredomainK+channels,4TM‐2P)Acesteasuntalcătuitedintr‐osubunitatecareareîncomponenţă4domeniitransmembranare,fiecaredomeniufiindconstituitdin2x2segmentetransmembranarecareformează2poriidentici.

CanaleledeK+,atâtceleredresoarecâtşicelecu2poriidentici,aufostidentificateînfoartemultetipuridecelule(macrofage,celulelemuşchiuluicardiac,leucocite,neuronişiceluleleendoteliale).

1Termenuldeinwardsereferălacaracteristicadeapermitesarcinilorpozitivesătreacămultmaiuşorîndirecţiainternă(înspreinteriorulcelulei).Princonvenţieinwardcurrentesteconsideratnegativîntimpceoutwardcurrent(sarcinilepozitivesemişcăspreexteriorulcelulei)esteconsideratpozitiv.

60

II.3.Bioenergetică

Bioenergeticaesteoştiinţăcomplexăacăreiorigineşiapartenenţăestedisputatădeopotrivădebiochimieşibiofizică.Implicaţiileeisuntesenţialeîntoateramuriledinamicealebiologiei,înspecialînfiziologieşiecologie.Obiectulacesteiştiinţeîlconstituiefenomeneleenergeticedinbiosferă,respectivschimbuldeenergiedintreorganismşimediuşitransformărileenergeticecareaulocladiferitenivelurideorganizare.

Există,înprincipal,douătendinţeînbioenergetică:unaecologicăşialtacelulară.Anumiteaspectealeacestortendinţe,înspecialaceleiecologiceţindetermodinamicabiologică.Alteaspectesuntlegatedebiochimie,fiziologieşiecologie.Deaceea,înprezentareaceurmează,sevainsistaînspecialasupraunoraspectepreponderentbiofizicedenivelcelularşisubcelular.

II.3.1.Origineaenergieiînbiosferăşicuplajulînbioenergetică

SursainiţialăafenomenelorenergeticedinbiosferăesteSoarele,respectivenergiasaradiantă.CevamaipuţindecâtamiapartedinenergiasolarăajunsălasuprafaţaPământuluiestepreluatădecătreplanteleverzi,singurelevieţuitoarecaredispundestructurispecializatecapabilesăcaptezeenergialuminoasăşisăoconverteascăînenergiechimică.

Ceamaiimportantăşimaicomunăformădestocareaenergieicareesteşiuşorconvertibilăsubformăchimică,estereprezentatădelegăturilemacroergicedinmoleculadeadenozintrifosfat(ATP).Prinhidrolizaacesteimoleculerezultăadenozindifosfat(ADP),fosfatanorganic(Pa)şienergie:

⇌

Reacţiasedesfăşoarăspredreapta,cuovariaţierelativmaredeenergieliberă:

Δ ° 7,3 / 25° ș 7 .

MultetipuridetravaliubiologicdepinddecedareaenergieiînmagazinatăînmoleculadeATPunorreacţiicaresedesfăşoarăcuconsumdeenergie.Cualtecuvinte,reacţiileconsumatoaredeenergiesuntcuplatecucelefurnizoaredeenergie.Aceastăideeacuplajuluiconstituieunpunctcentralînbioenergetică.Pentruomaibunăînţelegere,considerămurmătoarelereacţii:

;

Condiţiacareacţiaglobală:

săsedesfăşoareînsensulindicatdesăgeatăeste:

Δ Δ Δ 0

adicăsăexisteoscăderenetăaenergieilibere(condiţiadespontaneitate).Deexemplu,dacăpentruprimareacţievariaţiaenergieiliberestandardeste:

Δ 7 / iarpentruadouaeste:Δ 4 / atunci

reacţiaglobalăsevadesfăşuraînsensulindicatdesăgeată,cuovariaţienegativădeenergieliberă:

Δ 7 4 / 3 /

StructuramoleculeideATP.EstederemarcatfaptulcălaunpH=7moleculaestedisociată,având,practic,4sarcininegative.(Simbolul~reprezintălegăturamacroergică).

61

Dupăcumsepoateobserva,condiţiilededesfăşurareauneireacţiiîncarearelocovariaţiepozitivădeenergieliberăsunt:

‐existenţauneialtereacţii,caresedesfăşoarăcuovariaţienegativădeenergieliberă,maimareînvaloareabsolută;‐celedouăreacţiitrebuiesăaibăintermediaricomuni.

Ideeacuplajuluiadouăreacţii,şiîngeneraladouăprocese,poatefiredatăşigrafic(veziFig.13).Unmodfoartesugestivdereprezentareestecelalroţiidinţate.

II.3.2.Stocareaşiutilizareaenergieilanivelcelular

Lanivelulcelulei,problemacentralăabioenergeticiiesteaceeaamecanismuluiprincareenergiaesteînmagazinatăsubformaunorcompuşimacroergici(bogaţiînenergie)şiapoiutilizată.Laacestnivelarelocunprocesdetransducţie(sauconversie)auneiformedeenergieînalta.

Proceseledeacesttipauurmătoarelecaracteristici:

a)suntprocesecuplate;b)suntproceseenzimaticevectoriale,localizateînmajoritateacazurilorlanivelulmembranelorcareleoferăcondiţiileorganizatoricenecesarecaracteruluilorvectorial;c)dinpunctdevederetermodinamic,suntprocese

izotermedejoasătemperatură(37°C),astfelcă,randamentullormare(40‐50%)poatefiexplicatnumaiprinnaturalorchimicăşiparticularităţiledeorganizareamintitemaisus.

Ideeacuplajuluiînproceseleenergeticeesteaplicabilănunumaiînfazeledeutilizareaenergiei,cişiînexplicareamecanismuluideconservareaenergiei,calegăturămacroergică,înmoleculadeATP.Încloroplasteleplantelorverziprocesulpoartănumeledefotofosforilare,deoareceseproducecuajutorulluminiisolare,iarînmitocondriişibacteriiaerobesenumeştefosforilareoxidativă,deoareceareloccuparticipareaoxigenului.ExistăînsăşianumitecăianaerobedesintezăaleATP‐ului,careînsănuvorfidescriseaici,elefiindmaimultdecompetenţabiochimiei.

Fosforilareaoxidativăreprezintăfenomenuldeconservare(stocare)aenergieieliberatăînurmaoxidăriidiferitelorsubstraturirespiratoare,caenergiechimicădelegăturăafosfatuluiînmoleculadeATP.Încelulaanimalăacestprocesareloclanivelulmembraneimitocondrialeinterneundeseaflădispuşi,atâtcomponenţiilanţuluirespirator,câtşicomplexulenzimaticcareparticipălasintezaATP‐ului(ATP‐azamitocondrialăsaucomplexulF1‐F0).Lanivelulacesteimembraneareloc,deci,unprocesdecuplareenergetică,respectivcuplareaoxidăriicufosforilarea.Dinpunctdevederebiofizic,seobişnuieştesăsevorbeascădespreunfenomendetransducţieenergetică,ceconstăîntr‐oconvertireapotenţialuluioxidoreducătorasubstraturilorrespiratoareînenergiechimicădelegătură.Conformtransportuluiactiv,cuplareareacţiilordeoxidoreducerecuceadefosforilarepoateavealocnumaidacăceledouătipuridereacţiiposedăintermediaricomuni.Înfuncţiedenaturaintermediaruluiprimaralacestorreacţiiexistădiferiteipotezealecuplăriienergetice.Vafiluatămaiîntâiînconsiderareşidezvoltatăipotezacarepareaficeamaisusţinutădedateleexperimentaleşicarepoateficonsideratăchiarteorie.

Cuplareauneireacţiicaresedesfăşoarăcuoscăderemareaenergieilibere(G1<0)cuoreacţiecesedesfăşoarăcuconsumdeenergie(G2>0),dacăG1+G2<0.

→

Δ 0 →

Δ 0

62

II.3.2.1.TeoriachemiosmoticăacuplăriienergeticeConformacesteiteorii,fenomenuldetransducţieenergeticăestemijlocitdeungradientelectrochimicdeprotoni.AceastăipotezăafostformulatădesavantulenglezPeterMitchell1şiîmbogăţităfoartemultînultimii20deani.Încontrastcuoipotezămaiveche,carepostuleazăexistenţaunorintermediarichimiciîntreoxidareşifosforilare,teoriachemiosmoticăpostuleazăexistenţaunuiintermediarfizico‐chimic,fiindînesenţăoteoriefizicăacuplăriienergetice,faptcejustificătratareaeiîntr‐uncursdebiofizică.Sevaconsideramaiîntâicazulconservăriienergieilanivelulmitocondriei,careafostşicelmaimultstudiat,urmândcaapoiproblemasăfieextinsălabacteriişicloroplaste.

Fig.17.Schemaenergeticiilanţuluirespirator.

NAD–nicotinamid‐adenin‐dinucleotid;CoQ–coenzimaQ;cyta,b,creprezintăcitocromiirespectivi.Înceletreilocuriindicate(H+in–H+ext)diferenţadeenergieestesuficientdemarepentrusintezaATP.

Conservareaenergieiînmitocondrii.Mitocondriilesuntorganitecelulareprezenteîntoateceluleleeucarioteaerobe.Celedinficatuldeşobolan,careaufostfoartemultstudiate,auoformărelativovală,cuceledouădiametredeaproximativ1µmşi,respectiv,2µm.Mitocondriileaudouămembrane:omembranăexterioarănetedăcareestepermeabilălasubstanţecugreutatemolecularămică,şiomembranăinternăcareareoseriedepliurinumitecristeşicareesteimpermeabilăpentrumajoritateasubstanţelor(veziFig.18).Prezenţaacestorpliuriestelegatădenecesitateauneisuprafeţemărite,lanivelulcăreiasuntdispuseoseriedecomplexeenzimatice,înprimulrândcelelegatedetransportulelectronilorşialprotonilordarşicelelegatedefosforilare.Încompartimentulintern(delimitatdemembranacristelor)seaflăcitoplasmaacestuiorganit,constituindaşa‐numitamatrice.Aceastămatriceestestructurată,iarîninterioruleiaulocuneleprocesebiochimiceimportante,cumarfioxidareaacizilorgraşişiciclulacizilortricarboxilici(Krebs)(vezicursuldebiochimie).

1PeterDennisMitchell(29septembrie1920–10aprilie1992),biochimistbritaniclaureatalpremiuluiNobelpentruchimie,distincţiecarei‐afostacordatăpentrudescoperireamecanismuluichemiosmoticasintezeiATP.Princercetărilesale,elaaduscontribuţiiimportantelaînţelegereatransferuluienergeticbiologicprinformulareateorieichemiosmotice.

63

Fig.18.Secţiuneschematicăprintr‐omitocondrie.

CiclulKrebs1estepartedincaleametabolicăimplicatăîntransformareachimicăacarbohidraţilor,grăsimilorşiaproteinelorînCO2şiapăînscopulobţineriideenergie.Dintrereacţiilerelevantecareprecedciclulamintimglicolizaşioxidareapiruvatului,iardintrecelecareurmeazăacestuiaestefosforilareaoxidativă.Astfel,etapeleprocesuluiderespiraţiecelularăimplică:

‐activareaproduşilordemetabolismprinformareadeacetil‐CoA,‐ciclulacizilortricarboxilicicareesteungeneratordeatomidehidrogen,‐fosforilareaoxidativăasociatăenergieieliberatelanivelullanţuluirespirator.

Treiperechideatomidehidrogenvorfipreluaţidenicotinamid‐adenin‐dinueleotiduloxidat(NAD+),iaroperechedecoenzimaQ,acestemoleculeconstituindpuncteledeintrareînlanţulrespiratorşitotodatăpuncteledeieşiredinciclulacizilortricarboxilici(Fig.19).Ordineaîncaresuntaranjaţicomponenţiilanţuluirespiratorestedictatădevaloareapotenţialuluilorreducător,astfelcă,esteuşordeînţelesdeceelectroniicurgprinacestlanţcătreacceptorulfinal(oxigenul).Unatomdeoxigenacceptădoielectronişidoiprotoni,dândnaştereuneimoleculedeapă.

Teoriachemiosmoticăpostuleazăcăenergiaeliberatăînurmacurgeriielectronilorprinacestlanţesteînsoţitădeotranslocaredeprotonidinmatriceamitocondrialăcătreexterior,astfelcă,energia,înmagazinatăiniţialcapotenţialoxidoreducător,esteconservatăîntr‐ungradientelectrochimicdeprotoni.Acestaesteprimulpasîntransducţiaenergetică.CeldealdoileaconstăînutilizareagradientuluiprotonicpentrusintezaATP‐ului.AcestfaptesterealizatprinintermediulcomplexuluiATP‐aziccarefuncţioneazăcaopompădeprotoni,cuplândtranslocareaacestora,înapoiînmatrice,cusintezamoleculeideATP.Încontinuarevafiprezentat,înmodconcret,modulîncareserealizeazăgradientulprotonicşicondiţiilenecesarepentruconvertireaenergieisaleînenergiaunorlegăturichimice.

Organizarealanţuluirespiratorîntranslocareadeprotoni.DupăcumrezultădinFig.20,lanţulrespiratoresteorganizatsubformaunorbucle(sauînzigzag)cetraverseazămembranadedouăori.Pentruotranslocaredeprotonidinmatricecătreexterior,estenecesarcaînetapeleîncaretransportulestedirecţionatcătreexteriorsăexisteşiun

1SirHansAdolfKrebs(25august1900‐22noiembrie1981),fizicianşibiochimistgermancunoscutpentruidentificareaadouăciclurimetaboliceimportante:ciclulureeişiciclulaciduluicitric.Maitârziu,secvenţametabolicăareacţiilorchimicecareproducenergiecelulară,estecunoscutăsubnumeledecicluKrebs,pentruaceastădescoperireafostrecompensatcupremiulNobelînanul1953pentrufiziologieşimedicină.

64

transportordeprotoni.Există,înacestsens,atâtdovezideordinfuncţional,câtşistructural.Astfel,ejecţiadeprotoni,înurmainiţieriirespiraţiei,esteunfaptcert.S‐amăsuratchiarşistoichiometriaacesteiejecţiişis‐aconstatatcăpentrufiecareperechedeelectronitransportatăde‐alungullanţuluirespirator,delaNADlaO2,sunttranslocaţi6protoni,adicăH+/2e‐(sauH+/O)=6.

Fig.19.Schemadecuplareaoxidăriicufosforilareaînmitocondrieconformteorieichemiosmotice.

Fig.20.Organizarealanţuluirespiratorîntranslocareadeprotoni:

FMNreprezintăflavinmononucleotidcare,prinformasaredusă(FMNH2),transportădoiprotonişidoielectroni;Fe/Sreprezintăoproteinăsulfoferică(transportoaredeelectroni);

QHşiQH2reprezintăformasemiquinonicăşi,respectiv,formadeplinredusăacoenzimeiQ(ubiquinona);cyta,b,csuntcitocromiirespectivi.

65

Fig.21.Ciclulacizilortricarboxilici(CiclulKrebs).

Doveziledeordinstructuralcarevinînsprijinulideiideorganizareasimetrică,înbucle,aufostobţinuteprinstudiulpoziţieidiferitelorcomponentealelanţuluirespirator(metodaagenţilormarcanţiimpermeanţi),precumşiînurmaunorstudiireferitoarelaaccesibilitateasubstratului(deexemplu,NAD‐ulesteaccesibilrespiraţieinumaidacăsegăseşteînmatrice).

66

ÎnFig.20esteprezentatădispunereaconcretăacomponenţilorlanţuluirespirator,aşacumreiesedindateleexperimentaleşiuneleraţionalizărifăcutedesusţinătoriiteorieichemiosmotice.S‐arpărea,dinfigură,căexistănumaidouăbucle,ceadeatreiafiindmaicurândfuncţionalădecâtstructurală.Aranjamentulafostimpusdelipsaunuialtreileatransportordeprotonişidecomportareacinetico‐enzimaticăparticularăacitocromilor‐bşi,maiales,acoenzimeiQ,ceeacesugereazăcăaceastaarputeatransportaprotoniîn2trepte(aşa‐numitulcicluQ,propusdeP.Mitchell),prinintermediulformelorQH·şiQH2.

Doveziimportanteînsprijinulteorieichemiosmoticeprovinşidindomeniulsistemelorreconstituite.Prinincorporareadiferitelorsegmentealelanţuluirespiratorînliposomi,s‐apusînevidenţăformareaunuigradientdeprotoni,înurmainiţieriiprocesuluiderespiraţie.Maimult,prinincorporareaATP‐azeimitocondriale,împreunăcuunanumitsegmentallanţuluirespirator,s‐areuşitchiarreconstituireaactuluioxidăriifosforilante.Întoatecazurile,s‐apusînevidenţănecesitateauneimembraneintacte(veziculeînchise)şiauneianumiteasimetriiîndispunereacomponenţilorpentruobţinereagradientuluiprotonicşiafosforilării.

Pentruaînţelegemaibinesemnificaţiaacestuifapt,vafiprezentatmodulîncareesteînmagazinatăenergiaîngradientulprotonic.Caoricegradientelectrochimic,acestgradientestealcătuitdindouăcomponente:unachimicăşiunaelectrică.Pentrusimplitate,sevascrieformulasubformauneidiferenţefiniteapotenţialuluielectrochimicdeprotoni(µH+),aşacumseobişnuieşteînteoriachemiosmotică:

Δ Δ Δ

undereprezintăcomponentaelectrică(odiferenţădepotenţialelectric),pHreprezintăcomponentachimică(odiferenţădepH),iarZ=2,3RT/Farevaloareadeaproximativ59mVlatemperaturade25°C(R,TşiFausemnificaţiileuzuale,vezifenomenedetransport).

Pentrumenţinereauneivaloriridicateapotenţialuluielectrochimic,esteabsolutnecesarăexistenţauneimembraneintactecaresănupermităscurgereanecontrolatăaprotonilorsauaaltorioni.Efectulagenţilordecuplanţi(decuplareaoxidăriidefosforilare),conformteorieichemiosmotice,este,deci,oconsecinţăadisipăriigradientuluiprotonic(agenţiidecuplanţisuntprotonofori)înlipsacăruian‐armaiexistaenergianecesarăfosforilării.

ATP‐azamitocondrială.SintezaATP‐uluicaprocesvectorial.Avândungradientprotonicrealizatşimenţinutdeomembranăintactă,maiexistăosingurăcerinţăesenţialăînvedereasintezeideATP:prezenţaunuimecanismcaresăpoatăconvertienergiaacestuigradientînenergiechimicădelegătură.AcestrolîljoacăcomplexulATP‐azicmitocondrial1(Fig.22).

MecanismulintimdecuplarealgradientuluiprotoniccusintezadeATPnuesteîncăperfectelucidat.Existămaimulteipotezeasupracăroranusevainsistaaici.Înschimb,seimpuneprezentareauneijustificărideansambluaposibilităţilordecuplareacelordouăreacţiiîncondiţiileconcretedinmitocondrie.Dupăcums‐amaiarătat,teoriachemiosmoticăsebazeazăpeideeaunuimetabolismvectorialîncareforţacapabilădeaproduceoreacţieestedeterminatădeorientareaspaţialăaunorfactorifizico‐chimicide‐alungulunuidrumdeterminatdecătreorganizareafizicăasistemului.Încazulmitocondriei,estevorbadespredirecţionareaejecţieideprotoni,datorităstructuriişiaranjamentuluicomponenţilorlanţului

1Descoperireaacestuicomplexşi,maiales,aaşa‐numituluifactorF1,careconstituieparteacataliticăacomplexului,estelegatăînprimulrânddenumelesavantuluiamericanEfraimRackerşiacolaboratorilorsăi.FactorulF1seobservăînanumitepreparateelectronomicroscopicesubformaunorbutonicudiametruldecirca9nm,ataşaţidemembranăprintr‐unpedunculrelativscurtcaresecontinuăînmembranăprintr‐unsetdeproteinececonstituieaşa‐numitulfactorF0.Dinacestmotiv,complexulATP‐azicmitocondrialestedesemnatdeobiceiF1‐F0.Chiarizolatdinmembrană,F1poatecatalizahidrolizaATP‐ului.Esteevidentcă,înacestecondiţii,cândlipseştegradientulprotonic,F1nupoatefuncţionaînsensulsintezeideATP.Pedealtăparte,componentaF0carerămâneînmembranădupăîndepărtarealuiF1,nuprezintăactivitatecatalitică.ÎndepărtarealuiF1facecamembranasădevinăfoartepermeabilălaprotoni,faptcepoatefiremediatprinrefixarealuiF1.AcesteobservaţiisuntconsideratecaindiciicuprivirelafaptulcăF0reprezintăunfeldecanalprincareprotoniitraverseazămembranapentruaajungelacentrulactivdinF1.

67

respirator,precumşicanalizareaacestorprotoniînsensinvers,princomponentulF0alcomplexuluienzimatic.

Fig.22.ComplexulATP‐azicdinmembranamitocondrieifoarteasemănătorcuceldinmembranacloroplastului.

Datorităacestuifapt,centrulactivdinF1seaflăîncondiţiicutotulspecialededesfăşurareauneireacţii.Pentruaînţelege,înprincipiu,felulîncareungradientprotonicpoateafectasintezaATP,sevapornidelapremisacăreacţiacatalizatădeoATP‐ază:

⇌

devine,practic,reversibilănumaiînprezenţaunuialtreileacomponentparticipantlareacţiecarepoateîmpingeechilibrulsprestânga(însensulsintezeideATP).Acestaltreileafactorestereprezentattocmaidecătregradientulprotonic.StoichiometriatranslocaţieideprotoniprinATP‐azamitocondrialăeste2H+pentrufiecaremoleculădeATPsintetizată.Cualtecuvinte,reacţiademaisusartrebuiscrisăastfel:

2 ⇌ 2

undeH+inşiH+exreprezintăconcentraţiadeprotonilainteriorşi,respectiv,laexterior.Considerândconstantadeechilibru(încareseincludeşiconcentraţiaapei,cafactorconstant):

∙

sepoateobservacăechilibrulreacţieidepindedeconcentraţiaprotonilorpeceledouăfeţealemembraneişicăoconcentraţieridicatădeH+înexteriorvadeplasaechilibrulacesteireacţiiînsensulsintezeideATP.Considerândvaloriledeechilibru(steadystate)pentruATP,ADPşiPa,sepoatecalculacăunraportATP/ADP=1poatefimenţinutprintr‐unpH=3,5unităţi,un=210mV,sauoricecombinaţieacelordouăpotenţialecaresătotalizeze210mV.Măsurătorilefăcuteînmitocondrieestimeazăvaloareapotenţialuluielectrochimiclacirca240mV,adicăsuficientpentrusintezadeATP.Existăexperimentecaredovedesccăşidinpunctdevederecinetic,adicăalvitezeideformareşialevoluţieisale,ungradientelectrochimicestecompatibilcuroluldeintermediarprimarînprocesulfosforilăriioxidative.

Transducţiaenergieiînbacteriişicloroplaste.Teoriachemiosmoticăprezintăunmaregraddeuniversalitate,eaaplicându‐sedeopotrivămitocondriei,bacteriilorşicloroplastelor.

68

Asemănareamarecareexistăîntreceletreisistemedinpunctdevederefuncţional,alăturideasemănărilestructuraleşibiochimice,constituieargumenteînfavoareaoriginiilorcomune.Maiexact,secredecăatâtmitocondriacâtşicloroplastularfievoluatdinbacteriiparazitesausimbiontecare,ulterior,aufostincorporatecaorganiteindispensabile.

ÎnbacteriaEscherichiacoli,lanţulrespiratorestecevamaisimpludecâtînmitocondrie,darorientarealuiînraportcuceledouăfeţealemembraneiesteidentică.Dinpunctdevederefuncţional,diferenţamajorăconstăînfaptulcăpentrufiecareperechedeelectronicetreceprinlanţulrespiratorsunteliminaţidoar4protoni(şinu6calamitocondrie).RezultateleexperimentaleindicălipsacicluluiQ.Înschimb,caşiîncazulmitocondriei,doiprotonisuntutilizaţipentrusintezauneimoleculedeATP.

Rotaţiaflageluluibacterianseparecăfoloseştedirectenergiagradientuluiprotonic,cualtecuvinte,rotorulacestuiflagelesteoturbinăprotonică.Lafel,transportuldeNa+şiCa2+,caşitransportulunoraminoacizişizaharuri,estecuplatcutransportulprotonilor(faptdoveditexperimental).

Încloroplaste(Fig.23),lanţultransportordeelectroniareuniicomponenţiasemănătoricuceiîntâlniţilabacteriişimitocondriidarmişcareaelectronilorcaşipompareaprotonilorsefaceînsensinvers,respectiv,electroniitrecdelaapăcătrenicotinamid‐adenin‐dinucleotid‐fosfat(NADP),iarprotoniisuntpompaţidinafarăcătreinterior(stromă).Transportuldeelectroniseface,deci,însensinversceluideterminatdepotenţialuloxidoreducătoralreactanţilorceeaceînseamnăcănecesităenergiedinexterior.Aceastăenergieprovinedinfotoniiabsorbiţiîndouăpunctesaufotocentredinlanţprinaranjamentelemoleculelordeclorofilănumitecomplexe‐antenă.

Fig.23.Organizareatransportuluideelectronişideprotoniînmembranacloroplastului.

ÎnceeacepriveştecomplexulATP‐azicdincloroplaste(desemnatCF1‐F0,Fig.22),acestaestefoarteasemănătordinpunctdevederestructuralcuceldinmitocondrie,darseparecăfoloseşte3protonipemoleculadeATPsintetizată.

EnergiaînmagazinatăînATPşiproduşireducătoridetipulNADPHestefolosităînprocesuldefotosintezăpropriu‐zis.Acestaconstădinreducerea,decifixareaCO2,cuformareaunorcompuşiorganicihidrocarbonaţi(deexemplu,glucoza).Reacţiaglobalăafotosintezeiarputeafiscrisăastfel:

69

6 6 ⟶ 6

undehreprezintăenergialuminoasăimplicatăînacestproces.ConformcelorprezentateînFig.23,oxigenuleliberatartrebuisăprovinădinscindareaapei.Într‐adevăr,prinmarcăricuizotopiradioactivi,s‐ademonstratcăoxigenuleliberatînaceastăreacţieprovineîntotalitatedinscindareaapei.Înconsecinţă,reacţiademaisusartrebuiscrisăcorectastfel:

6 12 ∗ ⟶ 6 6 ∗

Pentru1moldeglucozăsintetizată,energialiberăasistemuluicreştecu686kcal,iarentropiascadecu43,6unităţientropice(cal/mol·grad).Aceastăenergiepoatefiutilizatăpentruaproducetravaliubiologicdenaturăfoartevariată.Pentruaaveaoimaginedeansambluasuprarelaţieidintregenerareaşiutilizareaenergieilanivelcelular,sepoateurmărischemadinFig.24.

Fig.24.Căiledegenerareşiutilizareaenergieilanivelcelular.

II.3.2.2.AlteipotezecuprivirelaconservareaenergieiSubacesttitluvorfiprezentate,defapt,douăipotezecuprivirelacuplareaenergeticăcareauunoarecaregraddepopularitate,deşi,suntdepartedecelalteorieichemiosmotice.

Ipotezachimică,clasică,susţinecăenergiaeliberatăînurmaoxidăriiaerobearficonservatăînniştecompuşichimiciintermediaricareocedeazăapoiADP‐ului.Cutoatecompletărileaduseînultimavreme,aceastăipotezăconcordădestuldegreucudovezileexperimentaleşinupoateexplicanecesitateaintegrităţiimembraneipentrucuplareaoxidăriicufosforilarea.Intermediariipostulaţinuaufostniciodatădescoperiţi(izolaţi).

IpotezaconformaţionalăconsiderăcăenergiaeliberatădinoxidareesteînmagazinatăsubformaunorschimbăriconformaţionalealeproteinelordinmembranamitocondrieideundeestecedatăulteriorADP‐ului.Ipotezaafostformulată,printr‐unfeldeanalogieinversăcuceeaceseîntâmplăîncelulamusculară,înurmaunorobservaţiicuprivirelaexistenţaunormodificărialeformeimembraneiinternedependentedeenergie.Ovariantămainouăaacesteiipotezeconsiderăcă,defapt,fosforilareaADP‐uluinecesităfoartepuţinăenergiedinmomentulîncareparticipanţiilareacţies‐auîntâlnitşicăetapacarenecesitămaimultă

Energiesolarăradiantă

Fotosinteză Metabolism Oxidoreduceri

(Potenţialelectrochimic)

Δ

⇌ (Energie Chimică)

Travaliubiologic

ElectricOsmoticChimic Mecanic Bioluminiscenţă Căldură

Biosinteze

Schimburicelulare

Excitabilitate Contracţie

70

energieesteeliberareaATP‐uluidinloculundeafostsintetizatşiundesepresupunecăesteputernicfixat.Esteevidentcănusepoatenegaexistenţaunormodificăriconformaţionaleînmitocondriedar,problemaestelegatădefelulîncareaulocacestemodificăriconformaţionale,denivelulstructuralimplicat(secundar,terţiarsaucuaternar)şimaialesdemecanismulprincareenergiaastfelînmagazinatăestecedatăulteriorADP‐ului.