Transportul prin membranele biologice

Ramona Mk BiofizicUniversitatea din PitetiFacultatea de tiineBIOLOGIE

Transportul prin membranele biologice

Mk Ramona Georgiana

Cuprins

I. Transportul prin membranele biologice3 I.1. Transportul pasiv3 I.2. Transportul activ4 I.2.1 Transportul activ al ionilor5 I.3. Descrierea membranei celulei vii prin circuite electrice echivalente7

Bibliografie9

I. Transportul prin membranele biologice

La nivelul membranelor celulare i intracitoplasmatice substanele de care organismul are nevoie trec n mod dirijat, n general n sens unic (cu excepia ionilor care circul n ambele sensuri). Se pot distinge dou tipuri principale de transport prin membrane: transport pasiv (nu necesit consum de energie) i transport activ (ce utilizeaz energia provenit din ATP-ul celular).

I.1. Transportul pasiv

Are urmtoarele caracteristici: decurge spontan, fr consum de energie este un proces exergonice (G0) conduce spre echilibru termodinamic, deci entropia sistemului transportat crete scade entalpia liber i deci, energia intern a sistemului transportat scade sistemul efectueaz lucru mecanic

n cadrul transportului pasiv se disting dou procese: difuzia simpl i cea facilitat.

Difuzia facilitat a ionilorIonii ce traverseaz membrana prin difuzie facilitat o fac n sens invers gradientului de potenial electrochimic. Legea lui Nernst aplicat membranelor celulare, la echilibru dinamic este:

Vechile modele de membran (cele care presupuneau existena porilor transmembranali modelul Danielli-Dawson) susineau c acest transport este datorat difuziei simple realizate prin aceti pori. Dar cum trecerea ionilor este selectiv i se realizeaz ntr-un singur sens, transportul se realizeaz n mod obligatoriu prin difuzie facilitat.Soluia problemei a venit din partea unui institut de cercetri din Marea Britanie (1990), care a demonstrat existena n membran a unor canale ionice, cu structuri asemntoare, dar specifice fiecrui tip de ion. Aceast specificitate este asigurat de o ngustare a structurii proteice, numit poart (1) i care permite trecerea numai unui singur tip de ioni. Poarta se continu cu un canal (2) aflat n interiorul moleculei proteice. Canalul poate fi blocat de o coad (3), a crei micare este dirijat fie de potenialul electric intracelular, fie prin modificarea concentraiei intracelulare a ionului.

Fig.I.1. Structura canalului ionic

I.2. Transportul activ

Transportul activ se realizeaz mpotriva neomogeneitilor dintr-un sistem (gradienilor de concentraie, potenial electric sau presiune osmotic). Exist deci un consum de energie sub form de lucru mecanic necesar producerii acestuia, fapt ce presupune intervenia metabolismului celular (de aici i denumirea de transport activ).Organismele vii posed sisteme de transport activ prin care substanele sunt transportate mpotriva gradientului electrochimic (de exemplu, absorbia intestinal a glucozei).Existena unui astfel de transport este datorat, n principal, asimetriei ionilor de-o parte i alta a membranei. Dac acest tip de transport nu ar exista sau ar fi blocat permanent s-ar ajunge n timp la egalarea concentraiilor intra- i extracelulare, deci la instalarea morii celulare. Cum timpul de via al unei celule este destul de mare, rezult c trebuie s existe anumite mecanisme active (ce necesit consum de energie metabolic), care s pompeze ionii mpotriva diferenelor de concentraii transmembranare (de exemplu, ionii de Na+ spre exteriorul celulei, iar cei de K+ spre interior). Aceste mecanisme au primit denumirea generic de pompe ionice. Agentul chimic al acestora sunt ATP-azele; se utilizeaz energia rezultat din scindarea moleculei de ATP pentru transportul unui singur ion (de exemplu, pompa de Ca2+ din eritrocite, muchi - reticul endoplasmatic - sau nervi; un alt exemplu l constituie Na+ - K+ - ATP-aza, ce asigur existena unor densiti de fluxuri active de Na+ i K+ care contrabalanseaz efectul fluxurilor pasive de Na+ i K+ ).

Caracteristicile transportului activ sunt urmtoarele: este influenat de temperatur; prin scderea acesteia se micoreaz viteza reaciilor metabolice exergonice, ce furnizeaz energie pompelor ionice; factorii chimici inhibitori ai metabolismului celular (cianurile, dinitrofenolul) diminueaz transportul activ; peste o treime din necesarul de energie al celulei (obinut din ATP) este consumat de pompele ionice. De exemplu, n cazul celulelor nervoase, acest consum ajunge s fie peste 70% din consumul energetic celular. n cazul celulelor moarte, fluxurile active de substane se anuleaz, rmnnd numai cele pasive.n ceea ce privete caracteristicile termodinamice ale transportului activ, acestea sunt inverse celor caracteristice transportului pasiv. Deci, pentru un transport activ: G>0, reacia de transport find endergonic (forat); entalpia liber a sistemului transportat crete pentru c sistemul primete lucru mecanic;n transportul activ al moleculelor neutre, concentraia final este mai mare dect cea iniial (transportul se face n sensul gradientului de concentraie), deci lucrul mecanic este pozitiv, adic este primit de ctre sistem:

energia intern crete (U>0); sistemul evolueaz spre o ordine relativ, n sens invers stabilirii echilibrului.

I.2.1 Transportul activ al ionilor

n starea de echilibru dinamic, fluxul pasiv trebuie s fie egal i de sens contrar cu fluxul activ, pentru fiecare ion n parte.Este de remarcat faptul c valoarea potenialului Nernst (VN), ce caracterizeaz spaiul intracelular n timpul transportului pasiv este diferit de cea a potenialului static de membran (Vs) datorat transportului activ.Lucrul mecanic (energia) necesar transportului activ al unui ion prin membran este:

unde sarcina ionului (q) este egal cu produsul dintre valena sa (z) i sarcina electric elementar (e).

Discuii:Aceast diferen dintre valoarea potenialului Nernst i cea a potenialului static de membran apare pentru toi ionii, demonstrnd astfel c toi ionii de interes biologic suport un transport activ.n cazul ionului de potasiu, potenialul Nernst al acestuia este foarte apropiat de valoarea potenialului electric static de membran, fapt pentru care fiziologii numesc potenialului electric static de membran potenial Nernst de potasiu. Aceast diferen mic ntre cele dou tipuri de poteniale va determina fluxuri pasive mici ale ionilor de sodiu egale cu cele active, n starea de echilibru dinamic.Stabilirea sensului de transport activ, pentru civa dintre ionii de interes biologic, innd cont de diferenele dintre potenialului electric static de membran i potenialul Nernst

Tipul de ionPotenialul NernstPotenialul static de membranSensul de transport activ

K+- 95 mV- 90 mVSpre interiorul celulei

Na++65 mV- 90 mVSpre exteriorul celulei

Mg2++11mV- 90 mVSpre exteriorul celulei

PO4 3-0- 90 mVSpre interiorul celulei

Pompe ionice

Meninerea diferenelor de concentraie dintre exteriorul i interiorul celulei implic existena unor mecanisme speciale, un proces activ ce necesit cheltuirea a 25% din energia produs n celul. Pstrarea unei asimetrii a concentraiei ionilor din spaiul intra- i extracelular este important pentru: reglarea coninutului de ap din celul (fiindc aceasta urmeaz prin osmoz fluxul ionilor), pentru sinteza proteinelor (ce necesit prezena K+) i pentru realizarea excitabilitii celulare a celulelor musculare i nervoase (necesit concentraie mare de K+ n interior i mic de Na+ n exteriorul celulei).Transportul activ este un proces enzimatic, consumator de energie, ce nu poate fi efectuat de ntrega structur a membranei celulare, ci doar de o enzim cu rol atepazic. Viteza de transport activ este corelat cu fluiditatea membranei celulare.Mecanismul transportului activ propune ideea de pompe ionice . Una dintre acestea este pompa de sodiu i potasiu, reprezentat de Na+ - K+ - ATP-az, descoperit de Skou n 1957 pe nervi de crab. S-a demonstrat c pentru fiecare molecul de ATP hidrolizat sunt introdui n celul doi ioni de K+ i sunt expulzai trei ioni de Na+ . n general, raportul de lucru al pompelor (numrul de molecule transportate ntr-un sens raportat la numrul de molecule ce trec transmembranal n sens invers) se deduce din cinetica de reacie a transportului activ.Mecanismul de funcionarea a acestor pompe a fost confirmat experimental de cercettorii de la Institutul de Marin din Playmouth (Marea Britanie) 1985. Studiile au fost efectuate pe membrana axonului gigant de calmar, din care s-a separat proteina ce are tropism pentru ionii de sodiu i potasiu. Dup purificarea acestei proteine s-a constatat c structura ei primar conine 229 aminoacizi i prezint dou zone intens electronegative (una pe faa intracelular i cealalt pe faa extracelular) i o zon cu funcie enzimatic atepazic (ce trebuie s se afle n permanen n spaiul intracelular). Aceast protein funcioneaz astfel: de partea electronegativ (1), aflat pe faa interioar a membranei se ataeaz trei ioni de sodiu, iar de cea aflat pe faa extracelular (2) se cupleaz doi ioni de potasiu, formndu-se astfel n aceste dou zone cte un moment de dipol intens. Datorit apariiei momentelor dipolare, se modific structura proteinei i se activeaz catena cu rol enzimatic atepazic. Aceasta atrage molecula de ATP, din a crei scindare rezult fosforul anorganic (P) ataat catenei cu rol enzimatic. Se formeaz deci un al treilea moment dipolar. Prin interaciunea celor trei momente dipolare se produc modificri conformaionale ale moleculei transportoare, care aduce locusul (1) pe faa exterioar a membranei, locusul (2) pe faa intracelular i deplaseaz n stnga catena enzimatic. Ionii de K+ i P sunt aruncai n interiorul celulei, iar cei de Na+ n spaiul extracelular, momentele dipolare disprnd. Pompa i continu funcionarea atand de data aceasta doi ioni de potasiu de partea electronegativ (1) i trei ioni de sodiu de partea (2). Momentele dipolare aprute vor reactiva catena atepazic, i ciclul se continu n sens invers acelor de ceasornic.

Fig.I.2 Mecanismul pompei ionice Na+-K+

Din cele descrise ai sus deducem c ATP-ul are un rol dublu n funcionarea pompei: unul de furnizor de energie, iar altul de a produce o modificare conformaional a enzimei ce favorizeaz K+ la exterior.S-a apreciat c fiecare celul are 200 -300 pompe de Na+ - K+ , numrul de ioni de K+ pompai pe secund fiind de 100.Trebuie menionat faptul c pompa de Na+ - K+ este reversibil, putnd s introduc n celul ioni de Na+ i expulsnd ioni de K+ , genernd n acelai timp ATP din ADP i P anorganic.

I.3. Descrierea membranei celulei vii prin circuite electrice echivalente

Datorit gradienilor de potenial electrochimic, membrana axonal este n permanen strbtut de fluxuri ionice pasive (ionii de Na+ difuzeaz spre interior, iar cei de K+ spre exterior). Datorit mecanismelor transportului activ, aceste fluxuri ionice pasive ce strbat membrana sunt compensate de fluxuri ionice contrare (ce consum energie metabolic), realizndu-se astfel o stare staionar, caracterizat din punct de vedere electric de o diferen de potenial transmembranar.Expresia acestei diferene de potenial transmembranar este dat de relaia Goldman-Hodgkin-Katz:

unde R - constanta uiversal a gazelor, T temperatura absolut, F numrul lui Faraday, PK , PNa , PCl - permeabilitile ionilor de K, Na, Cl, [X]int, ext - concentraiile ionilor n interiorul, respectiv exteriorul celulei.Se observ c ecuaia G-H-K este echivalent cu una n care intervin potenialele de echilibru electrochimic i conductanele ionice, pentru fiecare ion n parte.

Observaie: Atunci cnd conductana unui ion este mult mai mare dect a celorlali ioni, potenialul membranar de repaus tinde s devin egal cu cel al potenialul electrochimic al ionului respectiv (dac gK gNa i gK gCl, atunci: MR = K).Din punct de vedere electric, o poriune foarte mic de membran axonal nemielinizat poate fi echivalat cu un circuit electric, redat n figura urmtoare.

Fig.I.3 Modelarea prin circuit electric a unei poriuni din membrana axonal nemielinizat

Acesta este constituit din trei surse de tensiune (aflate la K , Na i Cl ), legate n paralel (fiecare nseriat cu rezistenele: RK, RNa, RCl) i a unui condensator de capacitate CM. Ideea ca fiecare ion ce traverseaz membrana s fie reprezentat de sursa i rezistena sa proprie a venit pe de-o parte, de la faptul c fluxurile ionice nu sunt dependente unele fa de altele, iar pe de alt parte, posibilitatea blocrii selective a curenilor de Na+ i K+ demonstreaz existena unor canale specifice, separate pentru fiecare ion. Prin aceti rezistori vor trece curenii ionici IK, INa, ICl datorai transportului pasiv. Transportul activ este prezent prin intermediul pompei de sodiu-potasiu, traversat de curenii ionici activi IK, INa, ICl. Capacitatea electric CM a membranei exprim proprietile dielectrice ale acesteia, practic, capacitatea ei de a menine o ncrcare electric de semne contrare pe feele interioar i exterioar (o distribuie asimetric a concentraiei ionilor pe cele dou fee).Valoarea diferenei de potenial suportat de CM ntre exterior i interior se determin cu ajutorul legii lui Ohm:EM = Rt It, unde Rt reprezint rezistena total (echivalent) a circuitului, iar It intensitatea total a curentului transmembranal. Dac se va ine cont numai de fluxurile pasive prin membran, atunci diferena de potenial transmembranar este:

Un stimul de intensitate adecvat va produce o excitaie a membranei, manifestat prin deschiderea canalelor pentru Na+ i apariia unui curent ionic de Na+ spre interiorul celulei. n momentul deschiderii canalelor de K+, ionii de K sunt expulzai rapid n exterior, formnd curentul ionic de K+ (decalat temporal de cel de Na+). n plus, mai apare un curent ionic de scurgere, datorat difuziei celorlali ioni prin membran (IS) i un curent capacitiv (IC) produs n urma variaiei capacitii membranei.Deci:

Dac se impune condiia ca M s fie constant, curentul transmembranar va avea numai componenta ionic.IM = INa +IK +ISS-a demonstrat experimental c iniial curentul spre interior este de Na+, n timp ce curentul spre exterior este datorat ionilor de K+, dar decalat n timp (Bahill, 1981). Prima milisecund, sensul curentului prin membran este spre interiorul celulei, apoi se schimb.

Fig.I.4 Variaia curenilor ionici de Na i K i a curentului ionic total

Bibliografie

Boldor, 1981. Fiziologia plantelor, Ed.Tehnic i pedagogic, Bucuresti.C. I. Milic, N. Dorbu, P. Nedelcu, V. Baia, T. Suciu, 1982. Fiziologie vegetal, Ed. Didactic i pedagogic, Bucureti.Delian Elena, 2010. Fiziologia plantelor, Bucureti.Elena Tma, Paul Raica, 2009. Citologie, Academicpres, Cluj-Napoca.I. Anghel, 1979. Citologie vegetal, Ed. Didactic i pedagogic, Bucureti.Irina Neta Gostin, 2012. Citologie vegetal - note de curs i laborator. I. V. Rai, N. Bdlu, 2008. Fiziologia plantelor- note de curs, Bacu.L. D. Toma, C. D. Jitreanu, C. Slabu, 2006. Fiziologie vegetal Manual de studiu, Universitatea de tiine agricole i medicin veterinar.. Gdea, 2009. Fiziologia plantelor-note de curs, Academicpres, Cluj Napoca.

8