Transportul de substanta prin membrana celulara

Curs Fiziologie celular

Conf. dr. Andrei Neamtuneamtuandrei@gmail.comFacultatea de Medicin Dentar - Disciplina de FiziologieFiziologiePhysis(natur, fiin)Logos(tiin, cuvnt)Fiziologie: ramur a biologiei, al crei obiect este cunoaterea mecanismelor normale de funcionare a organismelor vii, a legilor de desfurare a funciilor acestoraMedicin clinicEXEMPLU - Miastenia gravis (MG)MG este o tulburare autoimun cronic caracterizat printr-o slbiciune muscular gravSimptome/semne:Vorbire defecuoasVedere dublVorbire nazalMers cltinatDificulti n controlul expresiei facialeDificulti n efectuarea actelor motorii repetitiveSlabiciune generalizat a membrelor i bustuluiSimptome/semne i DIAGNOSTICTRATAMENTPROGNOSTICExplorri diagnostice:Testul cu neostigminElectromiografiaTestare anticorpi anti-nAChr + MuSKImagistic CT/NMR (timus)Medicamentos:Neostigmin, piridostigminImuno modulatoare (Prednison, Ciclosporin etc.)PlasmaferezChirurgical:Timectomie (ndeprtarea timusului)Sub tratament corect aplicat majoritatea pacienilor pot duce o via cu speran de via normal, excepie facnd cei cu timoame maligne n care patologia suprapus aduce sperane mai reduse.

Mecanismul bolii - FiziopatologieAnomaliile neuro-musculare din MG sunt cauzate de un defect n transmiterea impulsurilor nervoase la unitile motorii ale muchiului efector prin intermediul plcii motoriiRspunsul auto-imun este mediat de anticorpi anti-nAChR prin trei mecanisme diferitenAChR degradai rapid prin legarea ncruciat receptor anticorp + endocitoza rapid complexelor formate Lezarea membranei post-sinaptice de ctre anticorpi i activarea sistemului complement (formarea MAC)Blocarea activ a situsului pentru ACh de catre anumite tipuri de anticorpi

Mecanisme normale - FiziologieTRANSMITEREA SINAPTICla nivelul plcii motoriiRSPUNSUL IMUN (dobndit)Activarea cascadei COMPLEMENTULUI

Mecanisme normale - FiziologieTRANSMITEREA SINAPTICla nivelul plcii motoriiRSPUNSUL IMUN (dobndit)Activarea cascadei COMPLEMENTULUI

Mecanisme normale - FiziologieTRANSMITEREA SINAPTICla nivelul plcii motoriiRSPUNSUL IMUN (dobndit)Activarea cascadei COMPLEMENTULUI

Fiziologia ... o perspectiv istoricJean Fernel (1542) Medicina: primul capitol (partea teoretic)Perioada Morfologiei Funcionale: funciile organelor be baza structurii lor

Wiliam Harvey (1628) circulaia sngelui la animale (fiziologia experimental)

G.R. Trevianus i J.B. Lamark (1802) includ fiziologia ca ramur a Biologiei (manifestrile funcionale ale organismelor)

Cl. Bernard (1865) principiile i condiiile experimentrii n medicin

1881 - 1913Louis Pasteur (1822-1895) fondatorul Microbiologiei i Imunologiei - creeaz conceptul de mediu intern (ntemeietorul Endocrinologiei)

Gabriel Socor, I. Athanasiu (1870 1926) fondatorii Fiziologiei romneti

Willem Einthoven (1860-1927) electrocardiograma umanIvan Secenov (1829-1905) i Ivan Pavlov (1849-1936) metoda reflexelor condiionate n fiziologia digestiei (premiul Nobel, 1904)D. Danielopolu (1884-1955) cercetri asupra S.N. vegetativ: existena unui echilibru interstimulant simpatico-parasimpaticNicolae Paulescu (1921) extrasul de pancreas numit pancrein ... Insulina! Frederick Banting (1923)Gr. T. Popa i Una Fielding (1930) descifrarea unitii funcionale hipotalamus-hipofiz (sistemul port hipotalamo-hipofizar)Otto Loewi, Henry Hallett Dale (1936) premiul Nobel pentru descoperirea acetilcolineiSir Alexander Fleming (1945) - the discovery of penicillin and its curative effect in various infectious diseasesGeorge Emil Palade (1974) pentru descoperiri privind organizarea funcional a celulei ce au avut un rol esenial n dezvoltarea biologiei celulare moderne James D. Watson, Francis Crick (1954) structura molecular a acizilor nucleici (Rosalind Franklin!)Sir Bernard Katz, Ulf von Euler (1970) transmiterea umoral la nivelul terminaiilor nervoase (sinapsa chimic)Sydney Brenner (2002) reglarea genetic a dezvoltrii organelor i moartea celular programatSir John B. Gurdon i Shinya Yamanaka (2012) celulele mature (difereniate pot fi reprogramate s devin pluripotente)Fiziologie: ramur a biologiei, al crei obiect este cunoaterea mecanismelor normale de funcionare a organismelor vii, a legilor de desfurare a funciilor acestoraFiziologieMedicin precizeaz sub aspect funcional limitele dintre normal i patologic !

ofer principiile orientative asupra corectrii mecanismelor dereglate n cursul bolilor !Premiile Nobel se dau pentru Fiziologie sau Medicin !!!

Claude Monet - The Cliff Walk At Pourville

Nivelurile de organizare ale materiei n lumea vie

PopulatiiEcosistemeBiosfera

Fiziologie specialaoro-maxilo-facialaStructura general a unei celule

Dogma central a biologiei moleculare

ADN (replicare)ARN mesagerProteineTranscripieTranslaie

Structura proteinelor

Complexitatea modului de funcionare a proteinelor ca efectori biologici este departe de a fi complet neleas!

Structura membranei celulareRolurile proteinelor membranare:

Receptori plasmatici

Canale ionice

Enzime

Citoschelet

Transportori de substante

Aquaporine

Proteine de recunoastere si adeziune celulara

Enzime

Structura membranei celulareStructura membranei celulare

matrice lipidic proteine glicocalixFunciile membranei celularePermeabilitateExcitabilitate ConductibilitateConexiuni intercelulareComunicare intercelularMetabolismulPermeabilitatea si selectivitatea membranelor biologiceImpermeabileSemipermeabileSelectiv permeabilePermeabileMediul extracelular VS. Mediul intracelular

Transportul de substanta prin membrana celularaTransport pasiv

Transport activ Endocitoza

Exocitoza

TranscitozaTransport continuu(microtransfer)Transport discontinuu(macrotransfer)Transport pasivosmoza,difuzie simpla (prin stratul bilipidic i prin proteine canal);difuzie facilitata de moleculele transportoare;

Transport activ primar (pompe ionice) este cuplat cu o reactie exergonica (exemplu hidroliza ATP);secundar: este cuplat cu transportul simultan al unei alte substante in sensul gradientului electrochimic;Transportul continuu de substanta prin membrana celularaOsmoza Fenomenul de difuzie pasiva a moleculelor de solvent ale unei solutii printr-o membrana semipermeabil

Transportul pasiv - OSMOZA

Difuzia simplaFluxul reprezinta cantitatea de substanta, sarcina, energie etc., transportate printr-o suprafata S in unitatea de timp.Prin gradient se intelege variatia unei marimi (concentratie, densitate, potential electric etc.) intre doua puncte ale spatiului raportata la distanta dintre cele doua puncte. Legea I a lui Fick

I. Fluxul masic dintr-o substanta printr-o suprafata data este direct proportionala cu cugradientul de concentratie:

Difuzia simpla prin stratul bilipidic molecule liposolubile

apDifuzia prin canale Unele proteine integrale din structura membranei pot crea ci hidrofile omogene care traverseaz membrana ca un tunel, asigurnd traiectul apos necesar difuziunii pasive a unor molecule simple sau ioni. Aceti pori macromoleculari proteici poart numele de canale ionice. Dei pn n prezent suntem nc departe de a fi obinut o descriere relativ complet a canalelor ionice membranare sau mcar o identificare amniunit a tipurilor lor, cel puin cteva specii de canale sunt destul de bine cunoscute, mergndu-se pn la izolarea proteinei din care sunt formate. Este vorba de unele canale de Na+, K+, Cl-i Ca2+. Rolurile canalelor ionice n organismul viu sunt eseniale att n cadrul celulelor excitabile (nervoase, musculare) ct i a celor neexcitabile (de exemplu celulele epiteliale, endoteliale, endocrine, celulele adipoase, etc.).

Difuzia prin canaleCanalele ionice prezint trei caracteristici funcionale:Transportul prin canale este extrem de rapid. Printr-un canal deschis trec mai mult de un milion de ioni pe secund (de o mie de ori mai muli dect printr-o protein transportoare)

Canalele ionice permit un transport selectiv deoarece porul canalului permite pasajul unor ioni cu mrime i sarcin adecvat

Majoritatea canalelor ionice nu sunt deschise permanent, ci pot realiza tranziii ntre o stare nchis i una deschis. Difuzia prin canaleCanalele ionice sunt dotate cu o serie de elemente structurale comune i anume: Prezena unui filtru de selectivitate ce are rolul de a selecta tipul de ion specific canalului;

Un domeniu de poart care n starea nchis a canalului blocheaz trecerea ionilor;

Un senzor cu rolul de a determina tranziia canalului ntre strile nchis-deschis n funcie de prezena sau absena stimulului specific canalului respectiv.

Canalele mai complexe posed i un domeniu implicat n fenomenul de inactivare a canalului poarta de inactivare.

Difuzia prin canalen funcie de factorul care determin nchiderea sau deschiderea porului (mecanism de poart) canalele se clasific n:

1) Canale voltaj-dependente la care factorul determinant al deschiderii este reprezentat de diferena de potenial membranar.

2) Canale ligand-dependente aceste canale sunt sensibile la legarea unor molecule-semnal pe situsurile lor specifice ceea ce determin variaia energiei libere a structurii formate i tranziia conformaional care realizeaz deschiderea canalului.

3) Canale dependente de liganzi intracelulari activarea acestor canale este determinat de cuplarea cu liganzi intracelulari cum ar fi Ca2+ sau nucleotidele ciclice.

4) Canale dependente de proteinele G n cazul acestor canale deschiderea se realizeaz prin cuplarea cu proteinele G membranare, care la rndul lor sunt cuplate cu molecule receptor care le elibereaz atunci cnd pe ele se cupleaz liganzi specifici. Proteinele G difuzeaz lateral n membran activnd canalele pe care le ntlnesc;

5) Canale mecano-senzitive sunt activate de tensiunea mecanic aplicat membranei.Difuzia facilitatatransport mediat de o molecula transportoaredinamica procesului de difuziune:recunoaterea substanei de transportatfixarea substratuluitraversarea membraneipoate fi descrisa pe baza cineticii Michaelis Menten

Caracteristicile difuziei facilitateSpecificitatea

Saturabilitatea

CompetiiaTransportul activPrimar - pompeSecundar simport antiport

Se realizeaza impotriva gradientilor electrochimici, cu consum de energiePompa de Na+ - K+ protein membranar nalt conservat pe scara evoluiei animale exprimat n toate celulele organismelor superioare;

hidrolizeaz 30% din ATP -ul citoplasmatic (n condiii de repaus) consum n celulele nervoase 20-40% din ATP

ntre 800 000 i 30 milioane la suprafaa fiecrei celule (n funcie de tip)

fluxurile de Na+ i de K+ sunt operaional inseparabile

pompa este electrogen i asimetric.

pompa de Na+/K+ este o protein integral alctuit din 3 subuniti: , ,

CICLUL DE POMPAJ:Pompa cupleaz o molecul de ATP i 3 ioni de Na+ din citoplasmATP-ul fosforileaz pompa care sufer o modificare conformaional crend o deschidere ctre mediul extracelularIonii de Na+ sunt eliberai i n locul lor sunt captai 2 ioni de K+Gruparea fosfat este clivat de pe situl de fosforilare i pompa revine la conformaia iniial elibernd ionii de K+ n citoplasmCiclul se reia 1.

Pompa protonica tubi uriniferi membrana mitocondrial membrana lizozomilorPOATE FUNCIONA: ca ATP-sintetaz ca pomp protonic

F0 Motorul electric: este alimentat de deplasarea H+ transversal prin membranF1 Motorul chimic: este alimentat de energia ATP

Simportul

Proces de transport simultan a 2 substane Difuzia are loc n acelai sensEnergia este furnizat de gradientul de concentraieEx: transportul cuplat al Na+ i glucozeiAntiportul

Difuzia are loc n sensuri opuseEnergia este furnizat de gradientul de concentraieEx: transportul cuplat al Cl- i HCO3-Endocitoza

Exocitoza

Transcitoza

Excitabilitatea membranarPOTENIALUL DE REPAUS este dictat de permeabilitatea membranei pentru K+ de cca. 40 de ori > Na+

Excitabilitatea membranarPOTENIALUL LOCAL se realizeaz prin stimularea unei zone limitate a membranei celulare se manifest prin:depolarizare - influx de ioni de Na+ sau Ca2+hiperpolarizare - creterea efluxului de K+ - influx de Cl-caracteristici:sunt gradate - stimuli mai puternici determin o depolarizare mai marese nsumeaz temporo-spaial dac prin nsumare ating un nivel critic (prag) la nivelul conului axonal va fi generat un potenial de aciune propagat

StimuldepolarizantchimicelectricPotenial localsubpragDeschiderea canalelor de Na+ voltaj-dependente depolarizare localizat (prepotenialul)pragPotenial prag deschiderea mai multor can. de Na+ influx de Na+(depolarizare) Canalele de Na+ sunt rapid inactivate oprind influxul de Na+Canalele de K+ voltaj dependente se deschid, eflux de K+ (repolarizare)Canalele de K+ se nchid, potenialul revenind la valoarea de repaus VmRestabilirea echilibrului ionic pompa Na+ /K+Excitabilitatea membranar-POTENIALUL DE ACIUNE-

Conductibilitatea: proprietatea membranelor excitabile de a propaga PA

Conducerea saltatorieComunicarea inter-celular Fiziologia receptorilor celulariComunicare prin sinapseComunicare endocrinComunicare paracrin/autocrinComunicare juxtacrin

Receptori cuplati cu proteinele G

Calea AMPc

Calea IP3/DAGFiziologia sinapseiDefiniie:Macaz de transmitere i comutare unidirecional a impulsurilor excitatorii sau inhibitorii inter-neuronal sau neuro-efector (neuro-motor, neuro-secretor)

Sinapse chimiceutilizeaz pentru transmiterea semnalului o substan chimic (transmitor, modulator)transmitorul acioneaz pe receptorii membranei postsinaptice

Sinapse electriceinformaia (influxul nervos) este transmis prin canale de tip gap junctions direct de la o celul la alta fr a fi necesar prezena mediatorului

Sinapse electro-chimicesunt prezente ambele modaliti de transmisie (chimic i electric)

Clasificarea sinapselor dup modul de transmitere a informaieiSinapse axo-dendriticeSinapse axo-somaticeSinapse axo-axoniceJonciunea neuro-muscular (din musculatura striat)Sinapsele neuro-musculare (din musculatura neted)Sinapse dendro-dendritice (ex. bulb olfactiv i retin)Tipuri de sinapse cu transmitere chimicProprietile sinapsei (sinapsa chimic)Unidirecionalitatea

ntrzierea sinaptic

Potenarea post-tetanic

Fatigabilitatea

Inexcitabilitatea electric a membranei postsinapticeMorfologia sinapsei chimiceRegiunea presinapticreprezentat de butonii sinaptici

Spaiul (fanta) sinapticspaiu de 200-300 cuprins ntre membrana pre- i postsinaptic

Regiunea postsinapticmrginit de membrana subsinapticRegiunea presinapticButonii sinaptici conin: neuroplasm mitocondrii vezicule sinaptice membrana presinapticVezicule sinapticepungi microscopice rezult din difereniere neurotubuli i din RE; conin subst. chimice (transmitori, modulatori) = 20 60 nmrepartiie neomogen (grupate mai ales n vecintatea membranei presinaptice grila vezicular/zona activ de Robertis)numrul veziculelor variaz n funcie de diveri factoriSinteza i stocarea mediatoruluimediatorul este sintetizat la nivelul pericarionului pt. neuropeptide sau n ntreg corpul neuronal pt. transmitorii cu molecul mic.stocat n veziculele sinaptice i neuroplasmveziculele i componentele macromoleculare sunt transportate axonal cu proteinele motoare:kinezina (anterograd)dineina (retrograd)excesul de mediator poate suferi aciuni de inactivare (acetilcolinesteraza, carboxi-metiltransferaza)

Structura molecular a veziculelor sinaptice de mici dimensiuni