consideratii generale ale permeabilitatii si transportului prin membrane

51
CONSIDERAŢII GENERALE ALE PERMEABILITĂŢII ŞI TRANSPORTULUI PRIN MEMBRANE

Upload: adriana-villarreal

Post on 13-Feb-2016

245 views

Category:

Documents


1 download

DESCRIPTION

biofizica

TRANSCRIPT

Page 1: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

CONSIDERAŢII GENERALE ALE PERMEABILITĂŢII ŞI TRANSPORTULUI PRIN

MEMBRANE

Page 2: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

• Membranele biologice au permeabilitate selectivă, iar unele permit trecerea unei substanţe numai într-un sens, când permeabilitatea este ireciprocă.

• Asupra permeabilităţii acestor membrane acţionează factori pasivi:– coeficientul de partiţie

– gradientul osmotic

– dimensiunea particulelor

– gradientul electric

– difuzia prin schimb ionic

factori care tind să micşoreze energia liberă a celulei odată cu creşterea entropiei, precum şi factori activi:– difuzia facilitată

– transportul activ

care acţionează în vederea menţinerii biostructurii, adică spre organizare şi deci, nu în direcţia nivelării factorilor de potenţial.

Page 3: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

• În cadrul transportului pasiv, atunci când are loc şi un transport de ioni, deoarece mediul intracelular are în general o încărcătură electrică negativă în raport cu mediul extracelular, pe lângă gradientul de concentraţie apare şi un gradient de potenţial electric, care imprimă ionilor o energie suplimentară, astfel că suma acestor două energii, determină caracteristicile transportului pasiv.

Page 4: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

Transportul prin difuziune

• Difuziunea este un fenomen cu caracter universal, prin care materia e transportată de la un punct la altul, datorită unui gradient de concentraţie.

• Mărimea coeficientului de permeabilitate poate da informaţii privind mecanismul molecular al permeabilităţii, aceste informaţii putând fi obţinute şi corelate prin compararea coeficienţilor calculaţi prin:– variaţia parametrilor sistemului (concentraţia componentelor, presiune,

temperatură).

– variaţia proprietăţilor particulei permeante (greutate moleculară, geometrie moleculară, structură chimică).

– variaţia proprietăţilor membranei (compoziţie lipidică, proteică, sarcina lipidelor sau proteinelor).

• Aceste studii permit o împărţire a proceselor de permeabilitate în două grupe:– difuzie simplă

– difuzie facilitată

Page 5: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

Transportul prin difuzie simplă. Difuzia neelectroliţilor.

• Cele mai intense cercetări privind permeabilitatea neelectroliţilor au fost efectuate Collander şi colaboratorii săi, lucrând pe alge.

• Din experienţele efectuate, precum şi din alte date similare privind celulele epiteliale şi celulele sângelui, s-au dedus următoarele:1) Membrana celulară se comportă ca o barieră lipidică, permeabilitatea fiind

determinată în primul rând de aceleaşi forţe, care determină repartiţia între apă şi lipide.

2) Membrana celulară acţionează ca o barieră de difuzie care permite moleculelor mici să treacă mai uşor decât cele mari.

• Aceste rezultate pot fi explicate printr-un model de difuzie simplă, în care permeabilitatea este împărţită în trei etape diferite:1) Trecerea unei particule din exterior, în faza hidrofobă a membranei.

2) Difuzia prin membrană.

3) Ieşirea din membrană în cealaltă soluţie exterioară.

Page 6: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

• Dacă presupunem că fluxul de difuziune a substanţei prin membrană se supune legii lui Fick, atunci masa de substanţă - dm - transportată în intervalul de timp elementar - dt - prin membrana de suprafaţă S se va putea exprima prin relaţia:

unde D este coeficientul de difuzie ( [D] = m2/s ).

• Permeabilitatea creşte odată cu coeficientul de partiţie membrană / apă şi descreşte odată cu creşterea greutăţii moleculare.

Transportul prin difuzie simplă. Difuzia neelectroliţilor.

dm

dtDS

dC

dx= −

Page 7: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

• Modelul de bază al permeabilităţii este determinat, în primul rând, de caracteristicile fizice şi chimice ale compuşilor individuali în soluţia apoasă şi în al doilea rând de proprietăţile membranei.

• Există excepţii importante faţă de tendinţa generală în permeabilitatea neelectroliţilor:– Moleculele mici hidrofile, ca apa, şi în multe membrane ureea şi

alte amide, difuzează mai uşor decât ne aşteptăm; aceste excepţii indică prezenţa căilor de trecere hidrofile, canale sau pori, care pot fi traversate numai de molecule mici.

– Moleculele ramificate trec mai uşor decât izomerii neramificaţi; aceasta se explică prin faptul că o membrană, în contrast cu o fază lipidică omogenă, are o structură ordonată, bistratificată.

Transportul prin difuzie simplă. Difuzia neelectroliţilor.

Page 8: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

• Când o membrană separă două soluţii ale aceluiaşi electrolit, dar de concentraţii diferite, va avea loc un transfer al electrolitului dinspre soluţia mai concentrată spre cea mai diluată.

• Nu este sigur că difuzia simplă are un rol important în transportul ionilor anorganici. Forţele de interacţiune dintre ioni şi apă sunt mult mai mari la neelectroliţi.

• Bistraturile lipidice au o rezistenţă electrică foarte ridicată şi deci sunt puţin permeabile faţă de ioni.

• Pentru ionii organici, bistraturile lipidice şi deci membranele celulare sunt uşor permeabile.

Transportul prin difuzie simplă. Difuzia electroliţilor.

Page 9: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

• Transportul ionic prin difuzie simplă, se găseşte în membranele epiteliale, cu capete terminale care nu sunt complet închise, ca în tubii uriniferi, sau în intestinul subţire.

• La traversarea acestor membrane o substanţă nu trebuie să învingă o barieră continuă de lipide deoarece membranele celulelor adiacente se apropie una de alta numai de-a lungul unor fâşii înguste, în puncte de contact asemănătoare unei suduri în puncte.

• Difuziunea, alături de osmoză, filtrare, ultrafiltrare şi dializă, intervine în fenomenele de transport a substanţelor necesare organismului, sau de eliminare a produşilor de catabolism.

Transportul prin difuzie simplă. Difuzia electroliţilor.

Page 10: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

• Prin difuziune se realizează transferul substanţelor dizolvate în lichidele biologice, dintr-un teritoriu în altul.

• Indiferent că vorbim de sânge, limfă, lichid cefalorahidian, ultrafiltrat glomerular, lichid interstiţial sau intracelular, difuziunea diferitelor substanţe solvite (molecule nedisociate sau ioni) poate decurge pasiv sau activ.

• Sensul difuziunii pasive este dictat de diferenţa de concentraţie, sau presiune parţială, dintre teritorii delimitate de membrană.

Transportul prin difuzie simplă. Difuzia electroliţilor.

Page 11: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

• Osmoza este fenomenul care apare când două soluţii, cu solvent comun şi de concentraţii diferite, sunt separate de o membrană semipermeabilă (permeabilă numai pentru solvent nu şi pentru solvit) şi când solventul este transportat din teritoriul cu concentraţie mai mică spre teritoriul cu concentraţie mai mare.

• Consecinţa fenomenului este apariţia unei presiuni osmotice orientate spre solvent (sau spre teritoriul cu concentraţie mai mică).

Transportul prin difuzie simplă. Difuzia electroliţilor.

Page 12: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

• În organismul uman substanţele nutritive sunt introduse în tubul digestiv şi la nivelul intestinului vor suferi un prim pasaj, trecând în torentul circulator.

• Din vasele de sânge, ele vor trece în spaţiul intercelular şi apoi în spaţiul intracelular.

• În cursul acestui drum vor fi străbătute mai multe bariere:

a) bariera intestinală, care este o barieră pluricelulară;

b) bariera capilarului, care este o barieră celulară, (pereţii capilarelor fiind alcătuiţi dintr-un singur strat de celule);

c) membrana celulei şi

d) membrana organitelor celulare şi membrana nucleară.

• Toate aceste bariere biologice posedă caracterul de semipermeabilitate, care nu se limitează deci la membranele celulare, ci este un fenomen general, care guvernează procesele de transport în interiorul organismului, prin diferite sisteme (bariere pluricelulare, bariere celulare, membrane celulare şi subcelulare).

Transportul prin difuzie simplăMembrana biologică şi bariera biologică

Page 13: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

• Legea concentraţiei

La temperatură constantă, presiunea osmotică este direct proporţională cu concentraţia molară a soluţiei:

= K’ · Cunde

K’ - constantăC - concentraţia molară a soluţiei - presiunea osmotică.

Transportul prin difuzie simplăLegile presiunii osmotice

Page 14: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

• Legea temperaturii

La concentraţie constantă, presiunea osmotică variază direct proporţional cu temperatura absolută la care se face determinarea :

= K” · Tunde

K” - constantăT - temperatura absolută

- presiunea osmotică.

Transportul prin difuzie simplăLegile presiunii osmotice

Page 15: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

• Când variază atât concentraţia molară cât şi temperatura soluţiei la care se face determinarea, legile enunţate mai sus, se pot reuni:

= K · C · T

Sau, echivalent:

· V = n · K · T

( legea Van’t Hoff )

unde, n este numărul de moli de substanţă dizolvată.

• Ca urmare a analogiei cu legea gazelor perfecte, se poate trageurmătoarea concluzie: presiunea osmotică exercitată de substanţa solvită este egală cu presiunea exercitată de aceeaşi substanţă, în aceeaşi cantitate, adusă în stare gazoasă, care ar ocupa un volum egal cu volumul soluţiei.

Transportul prin difuzie simplăLegile presiunii osmotice

Page 16: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

• În cazul existenţei unei presiuni osmotice, datorită căreia o substanţă este vehiculată printr-o membrană ce separă două compartimente, se efectuează un lucru mecanic numit travaliu osmotic:

unde Po este presiunea iniţială din compartimentul 1.

• Dacă trebuie vehiculată o cantitate de apă contra unei diferenţe de presiune osmotică, atunci este necesară conservarea unei energii din exterior pentru a efectua travaliul respectiv, pe care în acest caz îl putem numi travaliu contraosmotic.

Transportul prin difuzie simplăLegile presiunii osmotice

ππ

+=∫

+

Po

PolnnRTpdp

nRT-=LPo

Po

Page 17: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

• Osmoza este un fenomen de transport care poate fi facilitat sau împiedicat.

• Abateri de la legile osmozei pot să apară datorită polarizării membranelor celulare (- în interior, + în exterior), care modifică legile osmozei.

• O altă abatere de la legile osmozei este generată de permeabilitatea ireciprocă a membranelor celulare (a barierelor biologice pe un plan mai general).

• Deoarece procesele de permeabilitate se produc într-un singur sens (permeabilitate ireciprocă) se produc abateri de la legile osmozei atunci când se schimbă sensul transportului.

Transportul prin difuzie simplăLimitele legilor presiunii osmotice

Page 18: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

• Legile osmozei se aplică numai la anumite diluţii: în cazul concentraţiilor foarte mari sau foarte mici de substanţă solvită, legile osmozei nu se mai aplică.

• Pentru aplicarea legilor osmozei, există limite de temperatură. La temperaturi mai mari de 40°C, legile osmozei devin inoperante.

• Electroliţii nu respectă legile osmozei, având o presiune osmotică măsurată diferită de presiunea osmotică teoretică.

Abaterea se produce datorită faptului că în soluţie electroliţii disociază, iar prin disociere apar noi particule care contribuie la presiunea osmotică.

În acest caz, trebuie făcută o corecţie, prin introducerea în calcul a coeficientului i, care depinde de gradul de disociaţie al electrolitului:

· V = i · n · R · T

Transportul prin difuzie simplăLimitele legilor presiunii osmotice

Page 19: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

1. Metoda osmometrelor

• A fost folosită de Van’t Hoff

• Constă în măsurarea înălţimii la care se ridică lichidul într-un osmometru;

Transportul prin difuzie simplăMetode de măsurare a presiunii osmotice

Page 20: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

1. Metoda biologică

• Constă în măsurarea volumului diferitelor celule, în momentul în care intervin modificări de concentraţie în mediul intracelular sau extracelular .

• Nu este o metodă de precizie (e mai mult calitativă), dar ea pune în evidenţă foarte pregnant faptul că volumul celular este condiţionat de osmoză.

Transportul prin difuzie simplăMetode de măsurare a presiunii osmotice

Page 21: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

1. Determinarea punctului crioscopic

• Fiecare lichid are un anumit punct de îngheţare (congelare).

• Pentru apă, punctul crioscopic se atinge la 0°C.

• În momentul în care se realizează o soluţie, prin adăugarea unei anumite substanţe, punctul crioscopic se modifică (se reduce).

• Diferenţa dintre punctul crioscopic al soluţiei şi punctul crioscopic al solventului dă o valoare numită constantă crioscopică (∆ ).

• Între ∆ şi presiunea osmotică există o proporţionalitate.

Transportul prin difuzie simplăMetode de măsurare a presiunii osmotice

Page 22: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

• Un miliosmol dintr-o anumită substanţă reprezintă greutatea moleculară a acelei substanţe, exprimată în miligrame/litru.

• Un miliechivalent dintr-un anumit element, este reprezentat de greutatea sa atomică exprimată în miligrame, împărţită la valenţa sa.

• Macromoleculele prezente în plasmă se găsesc sub formă de coloizi.

De aceea presiunea osmotică ce li se datoreşte se numeşte şi presiune coloidosmotică.

Valoarea presiunii coloidosmotice este relativ mică, reprezentând doar 0,5% din presiunea osmotică totală a plasmei sanguine

Page 23: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

• Se cunosc procese, în cazul membranelor biologice, în care transportul moleculelor de solvit nu se realizează împotriva gradienţilor de concentraţie sau de potenţial, ci, ca şi în cazul transportului pasiv, în acelaşi sens, cu deosebire că viteza acestui transport este mult mai mare decât prevăd legile transportului pasiv.

• Această varietate de transport activ, stabilită încă din 1943 de Danielli, este numită difuzie facilitată, sau favorizată.

• Transportul favorizat are caracteristici comune cu transportul activ şi cu difuzia simplă.

• Este necesară formarea unor complecşi între substanţă şi transportor.

Transportul prin difuzie facilitată

Page 24: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

• S-a observat că viteza de transport prin membrana hematiei este mult mai mare pentru unele zaharuri, cum ar fi D-glucoza, faţă de altele ca de exemplu L-glucoza.

• Aceasta arată că trebuie să fie un sistem de transport specific în membrană, care recunoaşte moleculele individuale de glucoză şi accelerează trecerea lor prin membrană.

• Modelul transportului include o serie de caracteristici:

1) forma pasivă a transportului;

2) saturaţia;

3) existenţa coeficienţilor de cuplu negativ care pot duce la o supraestimare a permeabilităţii pentru glucide, rezultată din măsurători şi care cauzează fenomenele de cisinhibiţie, trans-stimulare şi contratransport de substanţe marcate;

4) existenţa coeficienţilor transversali negativi pentru două zaharuri diferite care au fenomenele de cisinhibiţie, transstimulare şi contratransport.

Difuzia facilitată a neelectroliţilor

Page 25: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

• În ceea ce priveşte transportul apei prin membrana celulară, s-a arătat pentru coeficientul de permeabilitate, determinat prin schimb izotopic, corespunzător difuziei în condiţii de echilibru, (a trecerii apei în ambele sensuri) că este mai mic decât coeficientul de permeabilitate osmotic, măsurat în situaţia în care apare un flux net de apă prin membrană.

• Acest flux net de apă va facilita traversarea membranei, deci o moleculă de apă va trece mai uşor când şi alte molecule de apă trec împreună cu ea şi în acelaşi sens.

• Membranele celulare au permeabilitatea ridicată pentru apă, ceea ce impune nu existenţa unui strat lipidic continuu, ci din contră, existenţa unor pori umpluţi cu apă, care traversează membrana.

• Existenţa fluxurilor de apă este corelată cu procesul de a tampona schimbările de compoziţie, care intervin în celulă sau în exteriorul ei.

Difuzia facilitată a apei

Page 26: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

• Membranele celulare sunt dotate cu mecanisme speciale pentru transportul care accelerează trecerea ionilor prin bariera de lipide.

• Aproape toate membranele celulare au o selectivitate crescută faţă de ioni.

• Conductibilitatea sodiului şi potasiului la celulele musculare şi nervoase depinde de potenţialul electric şi de timp.

• Se cunosc toxine care pot bloca conductibilitatea anumitor ioni:

– tetrodotoxina - TTX - blochează conductibilitatea sodiului

– tetraetilamoniul - inhibă conductibilitatea potasiului

– verapamilul - inhibă conductibilitatea şi asimilarea de Ca++ la nivelul celulelor din muşchiul inimii.

Difuzia facilitată a electroliţilor

Page 27: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

• Deşi nu sunt cunoscute toate detaliile mecanismelor specifice de accelerare a trecerii pasive a ionilor prin membranele celulare, au fost deduse următoarele:

2. Transportul prin purtători

Modelul este păstrat, deşi nu are un rol major în transportul fiziologic de ioni prin membranele celulare.

Studierea ionoforilor, antibiotice de origină bacteriană, care facilitează permeaţia cationilor anorganici, a evidenţiat existenţa unui transport uniport electrogenic (de ex. transportul K+ sau Rb+ de către valinomicină), sau un transport antiport electroneutru(transportul în sens contrar al K+ şi H+ de către nigericină).

Difuzia facilitată a electroliţilor

Page 28: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

1. Pori conductori din punct de vedere electric

• Existenţa porilor selectivi de ioni în membrana celulară a fost discutată mult timp, deşi au existat argumente favorabile privind fluctuaţia conductibilităţii membranei.

• Studierea conductibilităţii prin pori s-a făcut prin detecţie directă (experimental) cât şi prin observarea altor caracteristici cum sunt:

– zgomotul de curent

– difuzia în şir.

Difuzia facilitată a electroliţilor

Page 29: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

a) S-a observat că la concentraţii mari de polipeptide se formează multe canale ai căror timpi de deschidere pot coincide parţial, astfel încât conductibilitatea totală a membranei este supusă unor fluctuaţii în timp.

• Dacă se menţine un potenţial constant în membrană, aceste fluctuaţii sunt percepute ca fluctuaţii de curentsau ca zgomot de curent.

• Din distribuţia spectrală a acestor fluctuaţii, în anumite condiţii, conductibilitatea unui canal şi durata medie a canalelor pot fi deduse din calcul.

• Pentru apariţia zgomotelor de curent este necesar ca aceste canale să nu fie deschise continuu, ci să se deschidă şi să se închidă spontan.

Difuzia facilitată a electroliţilor

Page 30: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

a) Difuzia în şir, s-a observat în cazul ionilor de potasiu prin membrane de axoni giganţi, când difuzia în interiorul membranei se realizează prin grupe de ioni, explicaţia fiind corelată cu presupunerea că membrana are porii de aşa natură încât ionii nu se pot depăşi unul pe celălalt, ci se deplasează în şir.

• Porii conducători din punct de vedere electric, există în aproape toate membranele celulare şi sunt răspunzători de curgerea pasivă a cationilor (concluzia stabilită pentru canalele de K+ din celulele nervoase şi musculare).

• Existenţa porilor conducători electrici a fost atestată şi pentru nervul motor al muşchilor. Aceştia se deschid când acetilcolina este eliberată din membrana principală în interstiţiul sinaptic şi se închid spontan, după scurt timp. Aceste canale sunt permeabile pentru K+, Na+, Cl-.

• Din analiza zgomotului electric se ştie, de asemenea, că şi conductibilitatea pentru Ca++ a membranei celulare din muşchiul inimii şi a unor celule din ganglioni, este influenţată de porii electrici conductibili.

• Un rol special este jucat de canalele de Na+ şi Ca++ din membranele excitabile, canale care se deschid datorită unei tensiuni şi se închid automat după scurt timp. Porul este închis la potenţialele normale ale membranei. Dacă potenţialul membranei scade sub o valoare limită, porul se deschide şi permite pătrunderea ionilor de Na.

Difuzia facilitată a electroliţilor

Page 31: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

1. Pori neconducători - difuzia de schimb• Un exemplu în acest sens, este sistemul de

transport al anionilor prin membrana eritrocitelor, care înlesneşte schimbul de cu Cl-.

Difuzia facilitată a electroliţilor

Page 32: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

• Fluxurile de transport sunt conduse în primul rând de propria lor diferenţă de potenţial electric, dar chiar şi în aceste cazuri au fost observate fenomene de fluxuri cuplate, în mod deosebit între o componentă chimică "i" şi speciile izotopice C.

• Ele au fost observate şi în diferite substraturi, care au structuri moleculare similare (de exemplu D-xiloza şi D-glucoza în transportul zahărului).

• Aceste fluxuri cuplate se formează datorită părţii de recunoaştere proteică a unui transport, care nu este selectivă pentru un singur component.

• Acestea permit legături cu alţi compuşi şi trecerea lor dacă au structuri sau mărimi similare.

Transportul prin flux cuplat între diferite substanţe

Page 33: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

Transportul prin flux cuplat între diferite substanţe

• În plus, faţă de aceste cazuri există în membranele biologice şi o formă de flux între particulele cu structuri complet diferite cum sunt:

– NaCl şi apă

– H+ şi glucoză

– Na+ şi aminoacizi.

Page 34: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

Transportul activ• Termenul a fost introdus de Overton, de la

observaţia că celulele vii pot menţine diferenţe fixe de concentraţie, între citoplasmă şi mediu, pentru acele substanţe care pot difuza prin membrană.

• Acest termen este utilizat pentru situaţia când membrana celulară lucrează în procesul de transport împotriva gradientului de concentraţie.

• Transportul activ se desfăşoară cu un consum de energie metabolică, fiind asigurat de anumite substanţe transportoare, cum ar fi enzimele, sau alţi componenţi proteici ai membranei.

• Substanţele transportoare formează împreună cu substanţele de transport o combinaţie complexă.

Page 35: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

Transportul activ

• Compusul penetrează membrana cu consum de energie, ulterior complecşii se desfac eliberând substanţa transportată şi refăcând şi vectorul.

• Se consideră că în cea mai mare parte celulele posedă un sistem de repulsie activă pentru Na+ şi de absorbţie activă pentru K+, ambele procese fiind cuplate.

• În general toate celulele, şi mai ales, celulele excitabile pompează sodiul din interior către exterior şi potasiul către interior, cu consum de energie metabolică celulară, fiind aşa numita pompă ionică de sodiu şi potasiu.

• În literatură sunt descrise şi alte pompe, de exemplu cele care transportă Ca++, H2O, Cl-, contribuind la îndeplinirea anumitor funcţii specifice pentru diferite celule.

Page 36: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

Transportul activ• Transportul activ al ionilor de Na+ şi K+ se explică prin

intermediul ATP-azei.

• Celula furnizează energie prin intermediul moleculei de ATP. Eliberarea energiei se realizează prin scindare în ADP şi P sub influenţa unei ATP-aze.

Page 37: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

Transportul activ primar

• Primul sistem de transport activ recunoscut şi descris a fost transportul de sodiu şi potasiu.

• Celulele transportă activ ioni de sodiu din interior spre exterior şi ioni de potasiu de la exterior spre interior. Transportul celor doi ioni este un cuplu puternic. Dacă partea exterioară este fără potasiu, fluxul activ de sodiu este inhibat, iar dacă partea internă este fără sodiu, fluxul activ de potasiu este oprit.

• Energia necesară transportului este procurată de ATP.

• Transportul activ este inhibat de glicozidele digitalice (ouabaina) fără să afecteze producerea de ATP şi utilizarea acestuia.

• Procesul de transport activ poate fi inversat pe o anumită întindere.

Page 38: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

Transportul activ primar

• Alte sisteme de transport, cu clivajul legăturilor macroergice fosfatice:

– sistemul de transport al calciului în fibrele musculare; doi moli de calciu sunt luaţi pentru un mol de ATP.

Acest sistem funcţionează în timpul relaxării muşchiului şi îndepărtează ionul de calciu din plasma celulară.

– sistemul de fosfotransfer.

– transportul activ de hidrogen (sistem redox).

Page 39: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

Transportul activ secundar

• Un exemplu de transport activ secundar este resorbţia activă a zahărului prin rinichi şi intestin.

• membrana celulară contraluminară conţine o pompă activă de sodiu care transportă ionii din interiorul celulei în mediul exterior şi un mecanism de transport activ pentru glucoză.

• În membrana celulară luminală s-a găsit un mecanism de contratransport pentru sodiu-glucoză.

Page 40: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

Transportul prin formare de vezicule

• Pentru transportul proteinelor şi a altor substanţe macromoleculare (G = 4000) s-a dezvoltat un mecanism special de transport.

• Substanţa ce trebuie transportată este închisă într-un săculeţ al membranei celulare, vizibil la microscopul optic sau electronic.

• Acest buzunar este ataşat astfel de membrană încât intră în celulă (endocitoză) sau este ca o veziculă care face contact cu celula şi îşi goleşte conţinutul în afară (exocitoză).

• Transportul prin majoritatea membranelor epiteliale este subiectul unor forme de control hormonal sau a altor mecanisme de control.

• Acest control se poate realiza la anumite etape ale funcţiei celulare, cum ar fi: la nivelul nucleotidelor ciclice, prin controlul Ca2+, sau al activităţii metabolice şi prin modificări în structura membranei.

Page 41: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

"Teoria membranei" în studiul toxicităţii

• Faptul că membrana celulară poate fi sediul unor importante efecte toxice, a fost evidenţiat încă din 1950, de Rothstein.

– Deoarece membrana celulară este bariera exterioară a celulei, ea este expusă la toată concentraţia extracelulară a posibilei toxine, înainte de repausul celulei.

– Membrana celulară poate interveni fizic şi chimic, pentru a limita pătrunderea unor componenţi în interior.

– Rothstein a accentuat importanţa corelării reactivităţii chimice a toxinei, evidenţiată in vitro, cu efectele fiziologice in vivo.

Page 42: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

"Teoria membranei" în studiul toxicităţii

• Când globulele roşii sunt expuse acţiunii metalelor grele, se observă o creştere dramatică a permeabilităţii pasive a cationilor, rezultatul fiind o creştere netă a sodiului intracelular şi a volumului hematiilor, ceea ce conduce la hemoliză.

• Acest efect a fost citat de Ball pentru prima dată în 1930.

• Benesch şi colaboratorii în 1950, sugerează că modificările grupurilor sulfhidril determină modificări de permeabilitate, iar Rothstein şi colaboratorii demonstrează că acesta este un efect membranar şi defineşte mecanismul.

• În studiile lor, ei au folosit compusul mercuric hidrosolubil, sulfonatul p-cloromercurfenilic (PCMBS), care penetrează membrana celulară destul de lent, aparent pe calea canalului anionic.

• Acţiunea asupra eritrocitelor se manifestă printr-o rapidă inhibiţie a transportului glucozei, urmată de o creştere caracteristică în permeabilitatea cationilor.

• Aceste rezultate au sugerat că locurile ce controlează permeabilitatea cationică au fost mai puţin accesibile (probabil în canalul cationic), decât acele locuri care guvernează transportul glucidic.

Page 43: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

"Teoria membranei" în studiul toxicităţii

• Compusul mercuric mult mai liposolubil, p-cloromercurbenzoat (PCMB) şi care penetrează membrana de 100 de ori mai rapid ca PCMBS, a dat modificări mult mai mici în permeabilitatea cationică, decât cele produse de PCMBS.

• Ambii compuşi mercurici au fost foarte reactivi faţă de sulfhidrilii membranei, dar numai cel mai hidrosolubil a atins concentraţia suficientă, în canalul cationic, pentru a altera permeabilitatea.

• Recent, Grinstein şi Rothstein au utilizat vezicule membranare pentru a demonstra că locurile sensibile sunt într-adevăr localizate în membrană.

• Când PCMBS a fost adăugat, iar adevăratul exterior al veziculei se afla în afară, saltul permeabilităţii cationilor a fost mult mai scăzut, decât atunci când PCMBS a fost adăugat când interiorul veziculei se afla în afară, adică faţa citoplasmatică a membranei.

• Deci, ei au identificat clar locul alterat în timpul inducerii hemolizei de către metalele grele şi au îmbogăţit cu probe, înţelegerea proceselor de membrană care controlează permeabilitatea cationilor.

Page 44: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

Transport de ioni - ATP-ază

• Două sisteme sunt descrise, în care o întreţinere a unei leziuni membranare dă naştere la deficienţe în mecanismele de control fiziologice.

Na+, K+ - ATP-aza

• Se cunoaşte de mulţi ani că Na+, K+ - ATP-aza, sau pompa de sodiu, este foarte sensibilă la inhibarea de către compuşii organici ai clorului, inhibiţia fiind de natură necompetitivă.

• Inhibiţia apare prin interacţiunea DDT (1,1,1 - tricloro -2,2 - bis (p-clorofenil)etan) lipo-solubil cu regiunile hidrofobe ale proteinelor sau a lipidelor învecinate.

Page 45: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

Transport de ioni - ATP-ază

Ca2+ - ATP-aza

• Kinter şi colaboratorii au efectuat studii care demonstrează că producerea unei coji de ou subţire, fragilă, la un număr de specii de păsări sălbatice, a rezultat din toxicitatea membranei.

• Acesta este un exemplu notabil, deoarece grosimea cojii de ou este unul din cazurile, unde prin expunerea organismului pe termen lung, la o concentraţie scăzută de chimicale, prezentă în mediul înconjurător, s-au produs efecte toxice semnificative.

• Constatările arată că implicat este DDT şi/sau metabolitul său principal, pentru păsări, DDE (1,1 - dicloro - 2,2 bis (p-clorofenil) etilenă).

Page 46: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

Inhibiţia competitivităţii• Sistemul de transport al anionilor organici, din ficat şi rinichi, joacă

un rol important în eliminarea multor compuşi străini.

• Utilizarea mai multor pesticide anionice, sau metaboliţii lor, pot inhiba competitiv transportul anionilor organici, pe traseul acestui sistem, în rinichi.

• Deşi acest sistem a fost cel mai bine studiat în ficat şi rinichi, el este de asemeni prezent în diverse alte locuri.

• Unul din acestea este plexul coroidal, a cărui funcţie este să faciliteze mişcarea metaboliţilor neurotransmiţătorului acid, dintr-o parte în alta a barierei creier - sânge, pentru excreţia prin rinichi.

• Prin urmare, există posibilitatea ca pesticidele anionice, sau metaboliţii, să poată concura pentru sistemul transportor şi să limiteze deplasarea acestor compuşi.

Page 47: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

Na+ - cuplat în transportul intestinal al glucidelor

• Transportul glucozei cuplat cu Na+ , la nivelul intestinului este influenţat de compuşii toxici, cum este mercurul, în trei moduri:

1. Pot afecta transportul însăşi, în mod direct.

2. Alternativ, ei pot inhiba Na+ - K+ - ATP-aza şi descongestionează gradientul de Na+, deci blochează absorbţia.

3. Pot inhiba fosforilarea oxidativă, cu epuizarea ATP-ului, pierderea gradientului de Na+ şi în final a transportului glucozei.

• Utilizarea veziculelor membranare, derivate din membrana lumenului intestinal, permit cercetătorilor să examineze efectele specifice asupra transportului, deoarece ele sunt independente de furnizarea de ATP, iar investigarea poate fi condusă la diferiţi gradienţi ionici, după necesităţi.

Page 48: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

Toxinele bacteriene.Mecanismele celulare de acţiune

• Elucidarea mecanismelor celulare, de acţiune ale toxinelor bacteriene, rămâne o problemă complexă.

• Aceste toxine pot fi convenabil clasificate, fie după membrana afectată (fosfolipaze, hemolizine, lizine, etc), fie prin acţiune intracelulară.

• Cea din urmă pare să aibă la bază un mecanism comun de acţiune, ce cuprinde:

1. legarea de receptori specifici, din membranele plasmatice, ale celulelor senzitive.

2. adaptarea sau translocarea prin bariera membranară.

3. interacţiunea cu o ţintă intracelulară.

• Aceste mecanisme sunt în strânsă interrelaţie.

Page 49: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

Toxinele bacteriene.Mecanismele celulare de acţiune

• Procesul legării toxinei, sau pătrunderea ei, apare similar în multe privinţe, cu acela prin care hormonii proteici şi alte macromolecule eficiente din punct de vedere biologic, interacţionează cu celulele.

• Deoarece pare improbabil ca celulele mamiferelor să posede "receptori sinucigaşi" pentru toxinele bacteriene, o posibilitate este că aceste toxine invadează parazitar căile moleculelor reţinute normal de către celule.

• Un suport pentru această ipoteză derivă din similarităţile structurale şocante între exotoxine şi hormonii glicoproteici.

Page 50: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

Toxinele bacteriene.Mecanismele celulare de acţiune

• Ambele tipuri de molecule etalează un dublu lanţ, sau o alcătuire din două componente:

– lanţul A, sau alfa, posedă activitate biologică

– lanţul B, sau beta, mediază legarea receptorului.

• Cercetătorii au arătat că unele toxine bacteriene, incluzând toxina difterică, exotoxina A Pseudomonas, toxina tetanusului, toxina holerică şi citotoxina Shigella, sunt sintetizate sub formă de proenzime inactive şi trebuie să sufere despicarea, separarea proteolitică şi reducerea, pentru a elibera fragmentul activ A.

Page 51: Consideratii Generale Ale Permeabilitatii Si Transportului Prin Membrane

Toxinele bacteriene.Mecanismele celulare de acţiune

• Mult mai specific, analogiile secvenţei aminoacizilor, au fost demonstrate între lanţurile A şi B ale toxinei holerice, tirotropina, hormonul luteal, coriogonodotropina umană, hormonul stimulator al foliculilor şi mai recent interferonul.

• Multe din toxinele bacteriene, fie ca molecule intacte, fie ca fragmente biologic active, trebuie să intre în celulă pentru a atinge ţintele specifice.

• Exemple evidente, includ toxinele: difteria şi Pseudomonas A care blochează prin inactivarea unei proteine citoplasmatice, toxina holerică care stimulează adenilat-ciclaza şi toxina Shigella care acţionează asupra subunităţii ribozomiale 60S.

• Toxinele sunt molecule relativ mari; toxinele difteria şi Pseudomonas A au greutăţi moleculare de 60.000 şi respectiv 66.000 daltoni, în timp ce toxina holerică are 82.000 daltoni.

• Există câteva precedente, care atestă intrarea unor astfel de molecule mari în celule.