1

CURSUL 1

Fiziologia membranei celulare

FIZIOLOGIE GENERALĂ

UNIVERSITATEA DE MEDICINĂ ŞI FARMACIE “V.BABEŞ” TIMIŞOARA

DISCIPLINA DE FIZIOLOGIE

DEPARTAMENTUL DE ŞTIINŢE FUNCŢIONALE

2015

2

1.Organizarea morfo-funcţională a membranei celulare

1.1. Lipidele membranare. Rol structural şi funcţional

1.2. Proteinele membranare. Rol structural şi funcţional

1.3. Structurile specializate ale membranei

2. Funcţia de transport a membranei celulare2.1. Transportul pasiv

2.1.1. Difuziunea

2.1.2. Osmoza2.1.3. Filtrarea2.1.4. Canalele ionice membranare

CUPRINS

3

Studentul trebuie să:

� Explice organizarea şi rolul matricei fosfolipidice în permeabilitatea

selectivă a membranei

� Definească criteriile de clasificare şi funcţiile principale ale proteinelor

membranare

� Enumere criteriile generale de clasificare a mecanismelor de transport

membranar

� Definească principalele caracteristici ale transportului pasiv

� Descrie transportul pasiv prin difuziune şi osmoză

� Definească şi să descrie caracteristicile generale ale transportul pasiv

prin canale ionice

� Descrie transportul pasiv prin canale ionice voltaj – dependente şi

operate de ligand

OBIECTIVE

4

STRUCTURA GENERALĂ A CELULEI

Componentele principale ale celulei sunt:

� MEMBRANA CELULARĂ

� CITOPLASMA

� NUCLEUL

5

DEFINIŢIE - complex molecular lipidoproteic care delimitează celula de mediul extracelular

� membrana celulară = plasmalemă

FUNCŢIE PRINCIPALĂ - barieră cu permeabilitate selectivă şi dinamică, care controlează schimburile dintre celulă şi mediul extracelular

1. ORGANIZAREA MORFO - FUNCŢIONALĂ A

MEMBRANEI CELULARE

6

LEGENDĂ: 1. glucid, 2. glicoproteină, 3. glicolipid, 4. colesterol, 5. proteină periferică, 6. proteină integrală, 7. filamente ale citoscheletului celular, 8. extremităţi hidrofile ale fosfolipidelor, 9. matrice fosfolipidică, 10. extremităţi hidrofobe ale fosfolipidelor

STRUCTURĂ - modelul “mozaicului fluid lipido-proteic”:

� Lipide - fosfolipide, colesterol, glicolipide

� Proteine - glicoproteine pot fi: periferice sau integrale

� Structuri specializate membranare - microvili, joncţiuni intercelulare

7

1.1. LIPIDELE MEMBRANARE: ROL STRUCTURAL ŞI

FUNCŢIONAL

� FOSFOLIPIDELE - formează matricea fosfolipidică alcătuită din

două straturi monomoleculare. Fiecare strat prezintă:

− o extremitate hidrofilă spre porţiunea periferică a membranei

− o extremitate hidrofobă spre porţiunea mijlocie a membranei

� miez hidrofob care restricţionează pasajul liber al substanţelor

8

� COLESTEROLUL - este dispus în interiorul matricei fosfolipidice

− asigură flexibilitatea şi stabilitatea membranei

− contribuie la caracterul selectiv al permeabilităţii membranei

� GLICOLIPIDELE - intră în structura învelişului celular numit “glicocalix” sau “atmosfera pericelulară”

− stabilesc contacte cu structuri ale mediului extracelular

9

FUNCŢIILE MATRICEI FOSFOLIPIDCE

(a) ASIGURĂ PERMEABILITATEA SELECTIVĂ A MEMBRANEI � membrana este permeabilă pentru

molecule liposolubile mici, nepolare: − gaze respiratorii (O2, CO2)− acizi graşi− glicerol− hormoni steroizi− uree− etanol� membrana este impermeabilă pentru:− molecule mari nepolare (glucoză,

aminoacizi)− molecule mici polare (ioni)� membrana este parţial permeabilă

pentru apă

10

(b) SURSĂ DE MESAGERI INTRACELULARI

Fosfatidilinozitol - 4,5 - bifosfat (PIP2)

Fosfolipaza C membranară

MESAGERI INTRACELULARIIP3 (inozitoltrifosfat)DAG (diacilglicerol)

� IP3 stimulează eliberarea Ca2+ din

reticulul endoplasmatic � reglareacontracţiei fibrei musculare netede

� DAG activează proteinkinaza C membranară � activarea enzimelor intracelulare care reglează metabolismul şi secreţia celulară

11

(c) SURSĂ DE MESAGERI EXTRACELULARI

PGI2 (prostaciclina) TxA2

− Vasodilataţie− Inhibă aderarea şi

agregarea trombocitelor

− Vasoconstricţie− Stimulează aderarea şi agregarea trombocitelor

− Răspuns inflamator− Contracţia

musculaturii netede bronşice

ACID ARAHIDONIC

Fosfolipaza A2 membranară

Fosfolipide membranare

Calea ciclooxigenazei Calea lipooxigenazei

PROSTAGLANDINE (PG)

TROMBOXANI (Tx)

LEUCOTRIENE (LT)

12

1.2. PROTEINELE MEMBRANARE: ROL STRUCTURAL ŞI FUNCŢIONAL

� reprezintă jumătate din masa membranei� reprezintă elementul activ care determină proprietăţile şi funcţiile

specifice ale membraneiCLASIFICAREÎn funcţie de relaţia cu matricea fosfolipidică se descriu:

� proteine periferice (extrinseci)� proteine integrale (intrinseci)

13

(a) PROTEINELE PERIFERICE

− sunt slab ancorate de matricea fosfolipidică prin forţe electrostatice − au mobilitate mare în planul membranei

ROLURI� în principal rol de enzime membranare:− externe: acetilcolinesteraza (AChE) de la nivelul

membranei postsinaptice hidrolizeazăacetilcolina (ACh) în acetat şi colină

− interne: adenilatciclaza (AC) generează AMPc(mesager intracelular)

� stabilesc contacte cu: − externe: componente ale matricei extracelulare � fixează celula de structurile extracelulare

− interne: citoscheletul celular � menţine forma celulei şi participă la mişcările celulare

14

− străbat întreaga matrice de pe o faţă pe alta − au o structură asimetrică− sunt puternic ancorate de matricea fosfolipidică− au o mobilitate mai redusă în planul membranei

(b) PROTEINELE INTEGRALE

ROLURI

� proteine canal pentru ioni şi apă

� proteine transportoare (“carrier”)

� proteine receptori membranari

� proteine de ataşare intercelulară

� proteine de recunoaştere

intercelulară

15

1.3. STRUCTURILE SPECIALIZATE

ALE MEMBRANEIDEFINIŢIE: sunt prelungiri ale citoplasmei acoperite de plasmalemă

1. MICROVILII� sunt extensii în “deget de

mănuşă” situate la polul apical al celulei

� măresc suprafaţa de schimb la nivelul epiteliul intestinal şi renal

2. JONCŢIUNI INTERCELULARE � sunt structuri complexe care asigură

contactul dintre două celule� se clasifică în:− joncţiuni strânse (“tight”)− joncţiuni de ancorare (desmozomi)− joncţiuni largi (“gap”)

16

2. FUNCŢIA DE TRANSPORT A MEMBRANEI CELULARE

DEFINIŢIE - reprezintă procesul de traversare a substanţelor prin membrana

celulară

CLASIFICARE

� în funcţie de dimensiunea substanţei:

− sisteme de microtransfer (micromolecule)

− sisteme de macrotransfer (macromolecule)

� transport vezicular

� în funcţie natura forţelor care asigură

transferul micromoleculelor:

− transport pasiv

− transport activ

17

CARACTERISTICI GENERALE� este spontan � are loc fără consum de energie (ATP)

� se desfăşoară sub acţiunea unor forţe fizice şi în sensul reducerii unor gradiente:

− de potenţial electrochimic− de presiune osmotică− de presiune hidrostatică

MECANISME DE TRANSPORT PASIV� Difuziunea � Osmoza � Filtrarea

2.1. TRANSPORTUL PASIV

18

DEFINIŢIE: transportul substanţelor printr-o membrană permeabilăpe baza gradientului electrochimic

� Gradientul chimic - asigură difuziunea substanţei dinspre partea cu concentraţie mai mare (C1) spre partea cu concentraţie mai mică (C2)

� Gradientul de potenţial electric - asigură difuziunea ionilor către faţa membranei încărcată electric cu sarcina de semn contrar

2.1.1. DIFUZIUNEA

Extracelular

Intracelular

K+ = 4 mEq/l

K+ = 140 mEq/l Gradient chimic

Gradient electricC2

C1

19

EXEMPLU: difuziunea K+ prin membrana neuronală în repaus

1. Concentraţia K+ intracelular = 140 mEq/l, iar K+ extracelular = 4 mEq/l � pe baza gradientului chimic are loc difuziunea K+ dinspre interiorul spre exteriorul celulei = eflux de K+

2. Membrana este pozitivă la exterior şi negativă la interior � pe baza gradientului electric are loc difuziunea K+ dinspre exteriorul spre interiorul celulei = influx de K+

Extracelular

Intracelular

K+ = 4 mEq/l

K+ = 140 mEq/l Gradient chimic

Gradient electricC2

C1

20

MECANISME DE TRANSPORT PRIN DIFUZIUNE

Difuziunea simplă

Difuziunea prin canale ionice

(a) Difuziunea simplă prin matricea fosfolipidică− molecule de gaz (O2 şi CO2)− molecule liposolubile (uree, etanol, h.steroizi, etc.)− apă (în proporţie redusă)

(b) Difuziunea simplă prin canale

� Canale ionice de Na+, K+, Ca2+ şi Cl-

− voltaj - dependente − operate de ligand − operate mecanic� Canale de apă (acvaporine) - operate de ligand

RATA difuziunii simple şi prin canale depinde de: − permeabilitatea membranei − mărimea gradientului electrochimic − mărimea suprafeţei de schimb

21

RATA difuziunii facilitate depinde de: − mărimea gradientului− capacitatea transportorului (valoarea Tmax)

(c) Difuziunea facilitată− asigură transportul pasiv al substanţelor

organice nepolare (ex: glucoza, aminoacizi)− necesită o proteină “carrier” specifică− viteza de transfer este crescută− transportul este limitat de capacitatea

transportorului până la o valoare maximă (Tmax)

− poate fi influenţată de substanţe biologic active � insulina creşte de 10-20 ori difuziunea facilitată a glucozei prin creşterea numărului de proteine transportoare (GLUT)

22

2.1.2. OSMOZA

DEFINIŢIE - difuziunea netă a APEI dintr-o soluţie osmotic activă, printr-o membrană semipermeabilă, pe baza gradientului de presiune osmotică de la concentraţie mică la concentraţie mare

� Membrana semipermeabilă

− este permeabilă pentru solvent = APA

− este impermeabilă pentru solviţi = particule osmotic active

� Soluţia osmotic activă - conţine solviţi care atrag apa: − NaCl− Glucoză− Uree− Proteine

23

Posm (atm) = Cosm x R x T

Cosm = Osmol/L

R = constanta gazelor (0,082)

T = temperatura soluţiei (°K)

PARAMETRII� Concentraţia osmotică (Cosm) = numărul de particule osmotic active

dizolvate în unitatea de volumÎn plasmă: 285 – 295 mOsmol/l

� Presiunea osmotică (Posm) = forţa care se opune trecerii apei

(osmozei) printr-o membrană semipermeabilă. Gradientul de Posm

determină sensul şi mărimea transferului de APĂ

Plasmă: 7,6 atm sau 5776 mm Hg

24

− volumul soluţiei cu Posm ↑ se măreşte

− transferul de APĂ se opreşte atunci când Posm1 ≅ Posm2

− transferul de APĂ se opreşte datorită apariţiei gradientului de presiune hidrostatică care se opune osmozei

2. Dacă o soluţie osmotic activă este pusă în

contact cu apa distilată printr-o membrană

semipermeabilă � apa trece dinspre apa

distilată spre soluţia osmotic activă

1. Dacă 2 soluţii osmotic active sunt puse în contact printr-o membrană semipermeabilă � apa trece dinspre partea cu Posm mai mică spre partea cu Posm mai mare

25

� Presiunea hidrostatică (Ph) − presiunea exercitată de o coloană de lichid pe suprafaţa de schimb − gradientul de Ph asigură transferul apei şi a substanţelor

micromoleculare dinspre partea cu Ph mai mare spre partea cu Ph mai mică

2.1.3. FILTRAREA

DEFINIŢIE: reprezintă transportul apei şi a substanţelormicromoleculare prin membrane permeabile, pe baza gradientuluide presiune hidrostatică

Ph = ρ x g x h

ρ = densitatea lichidului

g = acceleraţia gravitaţională

h = înălţimea coloanei de lichid

26

2.1.4. CANALELE IONICE MEMBRANARE

CLASIFICARE

(a) În raport cu dinamica

� Canale ionice de “scurgere” care asigură

un flux continuu de ioni

Ex: canalul de “scurgere” de Na+ şi K+

� Canale ionice controlate de porţi care

prezintă configuraţii moleculare tranzitorii

echivalente unei stări funcţionale (canal

deschis sau canal închis)

Ex: canale de Na+, K+, Ca2+, Cl-

DEFINIŢIE: proteine integrale care asigură transportul pasiv al

ionilor în sensul gradientului electrochimic

27

(b) În raport cu selectivitatea canalului

� Canale selective - pentru 1 ion (ex: Na+, K+, Ca2+, Cl-)

� Canale parţial selective - pentru 2 ioni (ex: Na+ şi K+, Na+ şi Ca2+)

� Canale neselective - pentru 3 sau mai mulţi cationi (ex: canalele

cationice pentru Na+, K+, Ca2+)

SELECTIVITATEA canalului este condiţionată de: − sarcina ionului − mărimea ionului − gradul de hidratare a ionului

(c) În raport cu factorul care condiţionează dinamica canalului:� Canale voltaj - dependente� Canale operate de ligand � Canale operate mecanic (de întindere - în cel. auditive din canalul

cohlear, deformarea mecanică a cililor deschide canale ionice)

28

I. CANALELE IONICE VOLTAJ-DEPENDENTE

DINAMICA CANALULUI – este determinată de modificările conformaţionale induse proteinei integrale de variaţia de potenţial transmembranar

TIPURI DE CANALE

� Canale rapide de Na+

� Canale de K+

� Canale lente de Ca2+

� Canale de Cl-

STRUCTURĂ

1.Filtrul de selectivitate 2.Porul sau canalul de trecere3.Una/două porţi 4.Senzor de voltaj

29

(a) CANALELE RAPIDE DE Na+

DISTRIBUŢIE: membrana neuronală şi a fibrei musculare scheletice şi miocardice

STĂRI FUNCŢIONALE −canal în repaus - poarta m închisă şi poarta h deschisă −canal activat - ambele porţi deschise −canal inactivat - poarta m deschisă şi poarta h închisă

� sunt puternic încărcate electric negativ � asigură înlăturarea moleculelor de H20

� prezintă două porţi: − de activare (m) − de inactivare (h)

PARTICULARITĂŢI STRUCTURALE

30

DINAMICA PORŢILOR� atingerea potenţialului prag (- 55 mV) determină activarea

canalului rapid de Na+ � influx de Na+ depolarizant (faza ascendentă a potenţialului de acţiune)

� condiţionează excitabilitatea membranei − canalele de Na+ activate sau inactivate � membrană inexcitabilă− canalele de Na+ în stare de repaus � membrană excitabilă

31

(b) CANALELE DE K+

DINAMICA PORŢILOR - mai lentă� depolarizarea completă (+ 30 mV) determină activarea canalului

de K+ � eflux de K+ repolarizant (faza descendentă a potenţialului de acţiune)

DISTRIBUŢIE: membrana tuturor structurilor excitabile

PARTICULARITĂŢI STRUCTURALE

� nu sunt încărcate electric negativ� au o singură poartă n - de activare

32

(c) CANALELE LENTE DE Ca2+

CARACTERISTICI � sunt în general parţial selective (Ca2+ > Na+)� se activează în urma depolarizării membranei � determină un influx de Ca2+ implicat în reglarea:

− excitabilităţii celulare− contracţiei musculare − secreţiei celulare

Tip CANAL Distribuţie Rol

L (long lasting)Fibra musculară

cardiacă şi netedăCuplarea

excitaţie/contracţie

T (transient)Celula pacemaker

cardiacăAutomatismul cardiac

N (neuronal)Membrana neuronală

presinapticăExocitoza veziculelor cu

neurotransmiţători

33

(d) CANALELE DE Cl-

CARACTERISTICI � se găsesc în membrana fibrei musculare striate � se deschid în urma depolarizării membranare � determină un influx de Cl-

� rol de stabilizare a potenţialului de repaus

34

II. CANALELE IONICE OPERATE DE LIGAND

Canal închis

Canal deschis

TIPURI DE CANALE

� operate de liganzi extracelulari

� operate de liganzi intracelulari

� operate de receptori prin proteine G

� canale intercelulare (conexonii)

DINAMICA CANALULUI - modificările conformaţionale ale proteinei

integrale sunt induse sub acţiunea unei substanţe biologic active

care se numeşte LIGAND:

− se fixează pe un situs specific de la nivelul porţilor

− poate fi neurotransmiţător, hormon sau mesager intracelular

35

(a) Canalele operate de LIGANZI EXTRACELULARI

CARACTERISTICĂ: canalul intră în structura unor receptori ai

membranei postsinaptice, iar ligandul este un mediator chimic

Tip CANAL Ligand Sinapse Efect

Canale de Na+ AChSNC şi SNP (excitatorii)

Placa motorie influx de Na+

depolarizant

Canale de Cl-GABA Glicină

SNC (inhibitorii)influx de Cl-

hiperpolarizant

Canale cationice neselective (Na+, K+,Ca2+)

Glutamat SNC (excitatorii)influx cationic depolarizant

SNC = sistem nervos central ACh = acetilcolină

SNP = sistem nervos periferic GABA = acid gamaaminobutiric

36

(b) Canale operate de LIGANZI INTRACELULARI

CARACTERISTICI

� sunt canalele localizate în membrana celulelor epiteliale, iar ligandul este un mesager intracelular (AMPc, Ca2+)

� sunt canale localizate în membrana reticulului endoplasmatic, iar ligandul este un mesager intracelular (IP3)

Tip CANAL Ligand Localizare

Canal de apă AMPcCelule epiteliale (nefrocit, mucoasa intestinală, glande exocrine)

Canal de Na+ AMPc Celule epiteliale (nefrocit, glande exocrine)

Canal de K+ Ca2+ Membrana fibrei miocardice

Canal de Cl- Ca2+Celule epiteliale (glande exocrine, mucoasa intestinală şi a căilor aerifere)

Canal de Ca2+ IP3 Membrana reticulului endoplasmatic

37

(c) Canale operate de RECEPTORI prin proteinele G

CARACTERISTICĂ - sunt canale de K+ sau de Ca2+ activate:� direct - pentru canalul de K+ prin subunitatea β a proteinei G� indirect - pentru canalul de Ca2+ prin subunitatea α a proteinei G

care activează enzime membranare generatoare de mesageri intracelulari:

− adenilatciclaza pentru AMPc− guanilatciclaza pentru GMPc

38

PROTEINELE G MEMBRANARE

DEFINIŢIE - proteine - traductor ataşate de faţa internă a membranei care asigură cuplarea RECEPTORULUI cu EFECTORUL: − un canal ionic de K+ sau Ca2+ − o unitate catalitică = enzimă membranară sau intracelulară

STRUCTURĂ – subunitate α + complexul β şi γ

SUBUNITATEA α� este o GTP-ază� asigură funcţia şi specificitatea proteinei G� are 2 forme:− forma activă fixează GTP

GTP → GDP + Pi + E− forma inactivă fixează GDP

39

TIPURI DE PROTEINE G (subunitatea α)

RECEPTOREFECTOR

ENZIMATIC MESAGER

SECUNDAR

Gs β1 - adrenergiciActivarea

adenilatciclazei

↑AMPc(↑ influxul de Ca2+ prin canale membranare)

Gi

β2 - adrenergiciα2 - adrenergiciM2 - colinergici

Inhibiţia adenilatciclazei

↓ AMPc(↑ efluxul de K+ prin canale membranare)

Gqα1 - adrenergiciM1,M3 - colinergici

Activarea fosfolipazei C

↑IP3, ↑DAG (↑ efluxul de Ca2+ din RS) ↑ Ca2+- calmodulina

RECEPTORII COLINERGICI

− receptori nicotinici (N)

− receptori muscarinici (M1,M2…M5)

− au ca ligand ACh

RECEPTORII ADRENERGICI

− receptori α (α1, α2)

− receptori β (β1, β2) − au ca ligand NAdr. şi Adr.

αααα

40

1. Activarea unor fluxuri ionice transmembranare (K+, Ca2+)

� modificări de potenţial membranar

2. Modularea activităţii unor enzime membranare şi intracelulare

� sinteza de mesageri secundari

3. Modularea transcripţiei unor gene

� sinteză de proteine şi modificări structurale specifice

ROLURILE PROTEINELOR G

41

(d) Canale intercelulare - CONEXONII

CARACTERISTICI

� se găsesc la nivelul joncţiunii permeabile dintre 2 celule

� reprezintă sinapse electrice în fibrele musculare cardiace şi netede

� sunt permeabile pentru molecule cu diametru mic � apă, electroliţi,

mesageri intracelulari, produşi de metabolism

CARACTERISTICI• Dinamica lor depinde de gradul de intindere (stretching) al membraneiLOCALIZARE• In fibra musculara neteda: la intinderea membranei ⇒ deschidere

canale de Na+ and Ca2+ ⇒ depolarizare ⇒ contractie

• In celulele receptoare auditive → deschiderea canalelor permite un influx cationic ⇒ depolarizare ⇒ generare potential de receptor

III. CANALELE IONICE OPERATE MECANIC

44

Componentele lipidice ale membranei celulare sunt: a. Fosfolipidele dispuse în două straturi monomoleculare b. Fosfolipidele dispuse cu extremitatea hidrofilă spre porţiunea

mijlocie a membranei c. Colesterolul care contribuie la caracterul hidrofil al porţiunii

mijlocii a membranei d. Glicolipidele care contribuie la caracterul hidrofob al porţiunii

mijlocii a membraneie. Glicolipidele care intră în structura învelişului celular

numit „glicocalix”

TEST (complement multiplu)

45

Dacă o soluţie de NaCl este pusă în contact cu apa distilată printr-o membrană semipermeabilă:

a. Osmoza are loc dinspre soluţia de NaCl spre apa distilatăb. Osmoza are loc dinspre apa distilată spre soluţia de NaCl c. Apa distilată îşi măreşte volumul d. Apa distilată îşi micşorează volumule. Transferul de apă se opreşte datorită gradientului de

presiune hidrostatică care se opune osmozei

TEST (complement multiplu)

46

Canalele de Na+ voltaj – dependente: a. Sunt puternic încărcare electric negativ b. Au o dinamică asociată cu depolarizarea membranarăc. Au o dinamică asociată cu repolarizarea membranarăd. Asigură un influx de Na+

e. Prezintă o poartă h de activare şi o poartă m de inactivare

TEST (complement multiplu)