FIZIOLOGIE CELULARA GENERALA

- proprietati fundamentale ale materiei vii -

CURS 2

La nivel celular se manifestă toate proprietăţile generale, fundamen-tale, ale materiei vii:

1. metabolismul,

2. excitabilitatea,

3. mişcarea,

4. reproducerea.

Ele sunt asigurate morfofuncţional la nivel subcelular în mod diferenţiat, prin specializările organitelor celulare.

Proprietătile fundamentale ale materiei vii.

• METABOLISM- capacitatea structurilor vii de a oxida gradat

diferite substanţe, utilizând mare parte din energia chimică astfel eliberată pentru desfăşurarea anumitor reacţii chimice ce consumă energie (endergonice).

- asigura condiţiile energetice pentru fenomenele antientropice de păstrare şi dezvoltare a structurilor proprii.

Metabolismul cuprinde fenomene:– catabolice (litice)– anabolice (sintetice)

Catabolism înseamnă deci scindarea substanţelor complexe, cu eliberare de energie chimică de legătură, care este în parte stocată sub forma legăturilor fosfat macroergice din diferiţi compuşi, în special adenozin-trifosfat (ATP).

Anabolism înseamnă sinteză de substanţe proprii, cu consum de energie, furnizată de catabolism prin ATP.

2. EXCITABILITATEA

- este proprietatea materiei vii de a răspunde, mai mult sau mai puţin specific, la acţiunea unui stimul adecvat.

- stimulul (excitaţia) este o variaţie energetică din mediu care poate induce răspunsul dacă este adecvat ca: formă energetică, amplitudine, durată de acţiune, bruscheţe (rată de transfer energetic).

- excitabilitate electrică - o formă particulară => capacitatea unei membrane celulare de a genera şi conduce semnale electrice speciale numite potenţiale de acţiune.

- cuplarea dintre excitaţie şi răspuns este un fenomen deosebit de complex, care de obicei cuprinde o etapă de transducţie membranară şi mecanisme de semnalizare intracelulară.

3. MISCAREA

- există numeroase şi variate forme de mişcare celulară, bazate pe interacţiuni între proteine specializate.

- două motoare moleculare principale:

= cuplul actină-miozină, baza contracţiei musculare,

= de cuplul tubulină-dineină, baza mişcării de tip ciliar-flagelar.

4. REPRODUCEREA• Forma somatică de diviziune = MITOZA (fiecare din

cele 2 celule fiice primeşte o copie a informaţiei genetice prezente sub ADN la nivel nuclear)

• Forma sexuată a organismelor = formarea zigotului (celulă-ou) prin fuziunea gameţilor, celulele reproducătoare, rezultate prin meioză, sunt haploide.

STRUCTURA CELULEI

Celula este alcătuită din membrană, citoplasmă şi

nucleu.

Componenta principală a membranei :

- plasmalema (bistrat fosfolipidic în care se găsesc

proteine periferice şi integrale),

- glicokalixul (cu compoziţie predominant

glicoproteică) la exterior şi

- citoscheletul submembranar şi reticulul superficial

la interior.

Citoplasma este compartimentată printr-un

sistem de membrane fosfolipidice intracelulare.

Organitele delimitate de membrane sunt de tip:

- vezicular / canalicular: reticulul endoplasmic, mitocondriile, lizozomii, aparatul Golgi, vezicule de endo- şi exocitoză.

Alte organite (nedelimitate de membrane) pot fi:

- granulare (ribozomii şi diverse incluziuni citoplasmatice)

- fibrilare, grupate într-un ansamblu morfo-funcţional numit citoschelet.

Organite caracteristice anumitor tipuri celulare (specifice):

- filamente de miozină şi actină în miofibrile cu organizare sarcomerică în fibrele musculare striate;

- în axonii neuronilor se constituie neurofilamente, în care tubulina participă la transportul axonal de substanţe;

- evaginări membranare filiforme ale plasmalemei numite cili, ce pot fi mobili prin prezenţa unei diferenţieri citoscheletice specifice.

Plasmalema este un bistrat fosfolipidic ce conţine şi alte lipide, precum şi proteine intrinseci (integrale, ce străbat ambele straturi) sau extrinseci (periferice, aparţinând unui singur strat).

- delimitează celula, asigurând schimburi controlate de substanţă şi informaţie cu mediul extracelular. - prezintă structuri specializate pentru diverse aspecte funcţionale:

= transferul substanţelor hidrofile (pori, canale, transportori),

= recunoaşterea semnalelor biochimice (receptori),

= legătura cu celulele învecinate (joncţiuni strânse şi comunicante),

= mişcarea celulei / lichidului extracelular (cili şi flageli).

ROLURILE PLASMALEMEI

- barieră de difuziune (frontieră fizică între mediul intra-/extracelular => menţinere a diferenţelor de concentraţie a substanţelor între aceste două teritorii;

- asigură transportul anumitor substanţe (contribuind de asemeni la menţinerea compoziţiei mediului intracelular necesar derulării tuturor reacţiilor biochimice intracelulare);

- transmiterea informaţiei între mediul intra- şi extracelular, dar în aceiaşi măsură de la o celulă la alta.

= membranele celulelor aşa-zis excitabile (neuronale, muşchilor scheletici, netezi şi cardiaci etc) au un rol fundamental în cuplarea excitaţiei proprii cu răspunsul fiziologic al celulei (eliberare de neuromediatori, contracţie musculară etc).

LIPID RAFTS

In plasmalema exista microdomenii lipidice rezistente la detergenti, care au fluiditate mai redusa si organizare mai stabila decat marea fosfolipidica, si care pot fi implicate in dinamica proteinelor membranare

- bogat in sfingolipide si colesterol- plutesc in bistratul fosfolipidic lichid- coalescenta prin clustrizarea componentelor

sale- reprezinta platforma pentru atasarea

proteinelor (cand proteinele se misca; in cursul transductiei semnalului)

Transport transmembranarClasificare

- macrotransfer şi

- microtransfer (pasiv si activ)

După sens, macrotransferul

• exocitoză;

• endocitoză; fagocitoză sau pinocitoză (macro- sau micropinocitoză).

• transcitoza (cuplarea endocitozei la un pol al celulei cu exocitoza la celălalt pol).

Transportul pasiv - este un proces de difuziune prin

membrană- rata de difuzie este proporţională cu:

= temperatura absolută, = gradientul de concentraţie= coeficientul de permeabilitate (de-

terminat de coeficientul de partiţie între membrană şi mediu).

Substanţele lipofile difuzează uşor prin bistratul fosfolipidic, iar cele hidrofile utilizează diverse căi hidrofile.

Căile hidrofile => pori, canale şi transportori.• Porii - sunt structuri proteice care delimitează căi apoase

transmembranare.• Canalele - prezintă bariere de permeabilitate şi de selectivitate, - operate chimic sau electric.

Difuziunea transmembranară pe căi preferenţiale specifice se numeşte facilitată.

Difuziunea apei prin membrană se numeşte osmoză. - presiunea osmotică este egală cu presiunea care aplicată

în compartimentul cu osmolaritate mai mare poate împiedica osmoza.

- osmolaritatea este numărul total de particule ale substanţelor solvite raportat la numărul lui Avogadro şi la volumul soluţiei (sau la masa de solvent în cazul exprimării ca osmolalitate).

• Transportori- transferul de substanţă presupune:

= legarea acesteia de proteina transportoare pe o faţă a membranei, = o anume modificare conformaţională a acesteia (flip-flop, ping-pong, situsuri succesive de legare), = eliberarea substanţei transportate pe cealaltă faţă a membranei.După numărul de specii moleculare transferate pentru un ciclu transportor:

- uniport şi - cotransport: sinport si antiport

Transportul activ se realizează numai de către transportori proteici:

- poate fi primar / secundar (după cum proteina transportoare prezintă / nu activitate ATP-azică proprie).

• Transportul activ secundar este:- întotdeauna cotransport, una din substanţe fiind

transportată activ pe baza gradientului pentru o alta. - consumul de energie este indirect, realizându-se la

nivelul unui transportor activ primar ce menţine gradientul menţionat,necesar pentru funcţionarea celui secundar.

DIFUZIUNEADefiniţie

- este un proces fizic prin care moleculele unei substanţe se împrăştie într-un “mediu de difuzie”.

- difuzia este o dispersie moleculară termodependentă.

Dacă două compartimente lichidiene sunt separate printr-o membrană care permite trecerea moleculelor respective => fenomen de difuzie prin membrană.

ESTE UN FENOMEN PASIV dictat de gradiente chimice (sau electrochimice în cazul ionilor).

Viteza cu care se desfăşoară fenomenul de difuzie prin membrană = rată de difuzie

- este proporţională cu energia potenţială de difuziune RTln(a/b), R = constanta generală a gazelor,T= temperatura absolută,a şi b = valorile de concentraţie ale substanţei respective în compartimentele între care are loc difuzia.

• In cazul compartimentelor separate prin membrană permeabilă: difuzia are loc

din partea cu concentraţie mai mare, către compartimentul mai diluat, până la egalarea concentraţiilor.

• Difuzia ionilor este influenţată şi de câmpul electric (gradient electric)

• Rata de difuzie este limitată de grosimea membranei şi depinde pentru fiecare substanţă de permeabilitatea membranei pentru acea substanţă, exprimată forma coeficientului de difuzie.

DIFUZIUNEA FACILITATA• Transportul este pasiv (in sensul gradientului

electro-chimic şi fără consum energetic).• Esenţa fenomenului de facilitare constă în

existenţa unei structuri în cadrul membranei care pentru un gradient permite o rată de difuziune mai mare decât cea prin difuziune simplă.

• Rata de difuzie facilitată => fenomen de saturare, similar cu procesele catalizate enzimatic.

• Procese de difuziune facilitată pentru diverse substanţe (glucoză, glicerol, aminoacizi, uree, diverşi anioni)=> utilizeaza proteine transportoare

OSMOZA• Este difuziunea apei prin membrane• Osmoza este unul din procesele

fundamentale prin care se produce transferul apei între compartimentele hidrice ale organismului, inclusiv între interiorul fiecărei celule şi mediul în care aceasta se găseşte.

• Dacă membrana care separă două compartimente ce conţin soluţii apoase este permeabilă pentru apă are loc fenomenul de osmoză.

• Termenul de osmoză se referă la transportul net de apă care se realizează prin acest fenomen într-unul din sensuri, ca însumare a ratei de difuzie a apei prin membrană în cele două sensuri.

• Soluţiile:

- care au aceeaşi presiune osmotică = izotone - care au aceaşi osmolaritate = izoosmotice

Celulele sunt viabile şi funcţionează normal numai dacă mediul în care se găsesc are aceeaşi presiune osmotică cu cel intracelular, adică este izoton.

- in mediul este hipoton celula absoarbe apă prin osmoză => volumul celular creşte

- in mediul este hiperton osmoza se realizează în sens opus, spre exteriorul celulei, având efecte inverse=> celula se ratatineaza

TRANSPORTORI MOLECULARI TRANSMEMBRANARI

• Pentru o varietate de astfel de solviţi membrana trebuie să asigure mecanisme speciale de transport:

- dimensiunea şi/sau polarizarea nu permit transportul (e nevoie de facilitare),

- concentraţia este mai mare în compartimentul de destinaţie (e nevoie de transport activ, primar sau secundar).

• Pentru asemenea situaţii există proteine membranare integrale numite transportori (facilitatori, carriers, porters) care folosesc gradienţi de concentraţie / electrochimici pentru a transfera substratele respective prin bistratul lipidic, nu în masă, ci moleculă cu moleculă sau ion cu ion.

• Un transportor poate fi definit operaţional ca o proteină membranară care leagă molecula/ionul de o parte a membranei, apoi îşi schimbă conformaţia spaţială şi expune molecula/ionul de cealaltă parte a membranei, legătura respectivă se desface şi proteina revine la conformaţia iniţială.

protein contains specific binding sites for solute

reversible conformational changes involved

passive transport

• Transfer a unei singure molecule, transferul poate fi conform gradientului electrochimic (uniport) sau împotriva acestuia (pompă).

• Transport a două (sau mai multe) specii moleculare => cotransport (simport / antiport), care poate fi transport pasiv, transport activ (pompă), sau transport activ secundar

TRANSPORT ACTIV SECUNDARTransportul activ secundar reprezintă baza transportului activ pentru numeroşi ioni, glucoză, aminoacizi, etc. Acest proces este posibil pentru ca odată cu ionul transportat pasiv (Na+), un alt solvit se poate cupla la transportor. => pe baza gradientului de Na+ (“secundar” transportului activ de Na+) se transportă spre interior glucoză, aminoacizi (sinport), iar ionii de calciu şi protonii sunt îndepărtaţi din citosol (antiport).

• Diferenţa transportul activ secundar / transportul activ primar majoră => in cazul transportului activ secundar energia este furnizată de gradientul de concentraţie.

• Gradientul electrochimic al ionului de Na între exteriorul celulei şi interiorul acesteia, realizat prin procesul de transport activ primar al acestui ion (pompa Na/K) = un mijloc de înmagazinare de energie care poate fi utilizată pentru funcţionarea sistemelor de transport activ secundar.

• Inhibarea producerii de ATP (ouabaina) într-o celulă determină într-o primă fază oprirea transportului activ al Na, cu scăderea consecutivă a gradientului transmembranar a Na+, urmată de oprirea transportului activ secundar care depindea de gradientul de Na drept sursă de energie.

In cadrul proceselor de transport activ secundar:

- Na+ se deplasează întotdeauna din mediul extracelular (concentraţie foarte ridicată), în interiorul celulei (concentraţia scăzută), deci în sensul gradientului său de concentraţie,

- substanţa de transportat este deplasată împotriva gradientului său de concentraţie (compartimentul cu concentraţie scăzută în cel în care concentraţia este ridicată).