biofizica 5

download biofizica 5

of 12

Transcript of biofizica 5

  • BiofizicdCurs 5 - Arhitectura si proprietatile membranelor celulare

    Dr. Ionu! Topall

    semestrul 12014-2015,Speci al i zarea B al neofi zioki netoterapi e si recuperare

  • Cuprins1 Arhitectura si proprietatile memtrranelor celulare

    l. I Introducere1.2 Lipide membranare1.3 Proteinemembranare1.4 Carbohidrati membranari1.5 Proprietati electrice ale membranelor celulare1.6 Rezistenta bistraturilor lipidice1.1 Capacitatea bistraturilor lipidice1.8 Bibliosrafie

    44589

    l0ll12

  • l1

    Arhitectura si proprietatile membranelor celulare

    1.1 lntroducereConsideratii generale despre biomembrane

    o Membranele celulelor biologice sunt structuri supramolectllare ce izoleaza fiecarecelula vie de mediul inconjurator, definind astfel compozitia moleculara intracelu-lara si mentinand diferente esentiale intre compozitia mediului intracelular si celextracelular.

    o In anii 50 erau cunoscute doar doua tipuri de biomembrane: cea celulara si ceanucleara. In cursul anilor 60 au fost evidentiate si studiate in detaliu un numar tot

    mai mare de structuri membranare, corespunzatoare organitelor celulare perma-nente (e.g. reticul endoplasmic, mitocondrii, complex Golgi) cit si structurilor cuviata limitata (e.g. vezicule de condensare si lizozomi)'

    Consideratii generale despre biomembraneBiomembranele sunt alcatuite in principal din lipide si proteine' Membranele bio-

    logice sint indispensabile vietii, ele reprezintand:

    o bariere cle permeabilitate inalt selective, controland schimburile permanente intre

    mediul extracelular si intracelu larr sisteme capabile sa asigure curgerea informatiei si reglarea compozitiei ionice si

    moleculare a mediului intracelularo granita intie organitele intracelulare (tip mitocondrii' lizozomi) si mediul intrace-

    lularelemente generatoare de semnale electrice si chimice, cu rol in comunicarea bio-logicaelemente cu rol in procesele de conversie de energie (fosforilare oxidativa, foto-sinteza)

    Caracteristicile membranelor biologice

    o sunt structuri fluide stratificate formate din proteirre si lipide orientate; ele for-meaza delimitari clare intre diferite compartimente biologice' au grosime intre60-100 A

    r proportia lipide/proteine variazaintre 4/l-l/4, la care se adauga si molecule dehidrocarbonati

    o moleculele lipidice de membrana sunt relativ mici, prezentind proprietati hidrofi-lice si hidrofobe; in mediu apos, aceste lipide pot forma spontan bistraturi mole-culare dense, cu rol de bariere (filtru) pentru trecerea moleculelor polare

    o proteinele sunt organizate in domenii cu caracter de insule stratul lipidic; ele in-deplinesc functii de pompe, de porti, receptori, transductori de energie si functiienzimatice

    Caracteristicile membranelor biologice

    o in ansamblul supramolecular membranar, proteinele si lipidele sint tinute impre-una prin legaturi necovalente (forte Van der Waals' interactiunile electrostatice'interactiuni hidrofobe si legaturi de hidrogen);

    o membranele stnt asimetrice (cele doua fete ale membranei fiind dif-erite' ele cotl-tinind componenti diferiti si avind functii enzimatice diferite)

    o suprafata membranelor este hidrofila, iar miezul este hidrofob

    t.z

    t.J

  • sunt structuri fluide; moleculele iipidice si proteinele constituente difuzeaza rapidin planul membraneil trebuie retinut insa ca rotatia lipidelor sau proteinelor inplanuri perpendiculare pe planul membranei este aproape absenta

    Organizarea tipica a membranelor biologice

    glicoliPide --;, Jy

    glicoproteine protelna.ili]i', l,it,"',

    'ri or..

    fosfolipidedomeniu hidrofob

    al proteinelorcolesterol

    1.2 Lipide membranareModelul mozaicului fluid

    In ultimii 50 de ani au fost concepute numeroase modele membranare care sepotriveau, mai mult sau mai putin, cu determinarile experimentale.Singurul model de membrana, care satisface atat datele experimentale cat si cerin-tele termodinamice, este cel care presupune structura de tip mozaic a proteinelor,glicoproteinelor si proteinelor globulare, intr-un bistrat de Lipide.S-a demonstrat ca acest mozaic stuctural nu este complet rigid, ci fluid, consideratca o solutie vascoasa bidimensionala, orientata: de aici a aparut denumirea de"mozaic fluid".

    Caracterul amfifatic al lipidelor membranareCaracterul biochimic cornun lipidelor membranare, factor determinant al modr"rlui de

    autoorganizare a biomembranelor, este cel de amfifaticitate; altfel spus, lipidele au uncapat stralctural cu proprietati hidrofile si un capat cu proprietati hidrofobe (compus dinacizi grasi).

    G.,N(tr2FG2o

    o-f-o

    st3-ct! -sr2ooC{ C'Oq2 g?G2 S2G'GG2 C-lG2 s:)-. G:f; oE;" orr

    vpfrr

    'cap'hidrofil

    'cozi'hidrofobe, $,,,.j;..,.y,.:.:lX;'. &! . '

    1.5

    .1.6

  • 1.8

    Clase de lipide membranareLipidele sint insolubile in apa, dar extreme de solubile in solventi organici (de ex.

    cloroform).Ele constituie :rproximativ 50 % din masa membranelor celulelor animale. Cele mai

    importante clase ,:,: lipide intalnite in constituirea biomembranelor sunt:

    o glicerof'rstolipide: 2 acizi grasi (capatul hidrofob) legati de o grupare glicerol(capatu l hidrofil)

    o galactolipide si sulfolipide 2 acizi grasi (capatul hidrofob) esterificati cu o grupareglicerol (capatul hidrofil), dar fara sa contina fosfor

    . sfingolipide: l acid gras (capatul hidrofob) este legat de o amina grasa (capatulhidrofil)

    o steroli (foarte rar la procariote, foarte frecvent la eucariote, in cantitati foarte mariin membrane si organite celulare).

    Clase de lipide membranare

    caracterul hidrofil al capatului polar poate fi asigurat de o grupare OH, cum estecazul sterolilor, sau de grupari mult mai complexein cazul glicerofosfolipidelor si a unor sfingolipide, capatul polar este lagat decozile hidrofobe prin grupari fosfoesterice: aceste lipide membranare se numescfosfolipide

    r in cazul altor clase de lipide lipseste fosforul din capatul polar, dar in schimb segaseste un zahar simplu sau oligazaharide: aceste lipide membranare se numescglicolipide

    Fosfolipide membranareo Fosfolipidele sunt fie derivati ai glicerolului (alcool simplu), fie ai sfingosinei (al-

    cool complex).o O molecula tipica fosfolipidica are un capat polar si doua 'cozi' hidrofobe hidro-

    carbonatet cozile hidrocarbonate dif'era in lungime (contin intre l4 si 24 atomi decarbon), iar una din ele este nesaturata (are una sau mai multe legaturi duble cis).

    e Lungimea precum si caracterul saturat (sau nesaturat) al lipidelor biomembranelorsunt factori ce determina, nemijlocit, abilitatea lipidelor de a interactiona intre ele,influentand deci fluiditatea membranelor.

    r Membrana celulelor eucariote contine trei tipuri majore de fosfolipide: fbsfatidil-colina, fosfatidilserina si fosfatidiletanolamina.

    Fosfolipide membranare

    -1.9

    t.tu

    Acid gras saturat

    Acld gras nesa&ral

    Hifli"iL"on*o'o Nare or s Frnn'ra or x T:: $i?T

    -

    cH1*cHr-NacHrlq

    -

    i-rH,*.cH.-N11,ia(xl

  • Sf ingolipide membranarer exista trei clase de sfingolipide membranare, delimitate astfel dupa capatul polar:

    sfingomielina, glicolipide si gangliozider sfingomielina este intalnita in membrana multistrat care protejeaza unii axonio glicotipidele sunt intalnite exclusiv in partea externa a membranelor cu gruparea

    de zahar expusa pe suprafata celulara; in membrana celulara a procariotelor sieucariotelor sunt intalnite mai ales glicolipide neutre, al caror capat polar continede la I la l5 molecule de zahar neutre

    r gangliozide contin in capatul polar una sau mai multe reziduuri de acid sialic (acidN-acetil-neuraminic) care le confera caracter electric net negativ.

    Sf ingolipide membranare

    *,n*".,,,,,,, "n

    ui"tt*- *"-'*i*'-*' i'il) nr

    :il:$- 'i"-f,r , , '." \,\/...,,'..''.."^, V'.,/'.'tn,-o-r

    ---*---O

    1.12

    1.13

    ,_:11

    Nandotiphih*nlipjd Suls "fX n,mulait I

    Crr{r'd.r - -rlt

    ')Sphr,^iln r clu l lrrpha-!,,-r i-. 1'-,i - ,*,--,, u.-n,,

    "

    t' t,

    ,!

    Gl{dDrlur.h".rdt

    r.a.,j,.F-iii.. rn.Ln. j

  • Colesterolul

    1.16

    ,'t7':=.[6:$&1

    .

    E{"

    .,tL - -

    cH.

    ,.{''i -, (rH- L'H'',' * -(iili

    *yJ,; .. ,,* q'H, chsin

    ,o.i' -

    '('u,, ., +" cH- CH.'&d, ,

    'o ... svl,

    "wE i' .,*.,i . , 1.,n

    "

    ,,-'11."'r -

    i-{lB.lP,rlar oa-i"... i"'.. 'sreroid]lead ''- DuLlfu!

    Mi

    Modelul de bistrat liPidicExperimente de microscopie electronica fip freeZe fracture, in care celule sau frag-

    mente membranare sunt racite rapid la temperature azotului lichid si apoi fracturate prin

    coliziunea membranei cu un cutit de microtom, au aratat ca membranele biologice se

    despica in lungul planului membranar, exact la mijlocut grosimii membranei, dand nas-tere la doua monostraturi lipidice.

    1.17

    1.18

    Modelul de bistrat liPidic

    r Datorita faptului ca permitivitatea electrica relativa a regiunii interne a unui bistrat|ipidicestefoartemica(-2)incomparatiecupermitivitatearelativaaapei(-80), ionii, precum si alte molecule incarcate electric (sau cu caracter dipolar), nupenetreaza membrana celulara.

    o Exceptie de la aceasta regula fac moleculele de apa, care datorita dimensiuniirelativ mici, penetre aza facil bistraturile lipidice prin zonele poroase ale acestora'

    e Transportul moleculelor de apa prin bistraturile lipidice infaza fluida este foarteeficient, astfel incat intr-o secunda, printr-o arie egala cu 1cm2, difuzeaza aproxi-

    mativ 10-3 grame de apa, ceea ce corespunde unui coeficient de permeabilitate deP

    -

    I0-3cmls.

    1.3 ProteinemembranareOrganizarea proteinelor membranare

    o Desi Structura debaza a biomembranelor este conferita de organizarea ordonata'bidimensionala a moleculelor lipidice, marea majoritate a functiilor membranelorbiologice este indeplinita de proteinele membranare'

  • Pentru marea majoritate a celulelor, membrana bilipidica contine aproximativ 50% proteine.Multe proteine membranare sunt profund inserate in bistratul lipidic, traversandu-I dintr.o parte in alta; aces[e proteine au caracter amfifatic, in sensul ca regiunilece traverseaza membrana sunt hidrofobe, iar regiunile expuse mediului apos (dinambele parti ale membranei) au caracter hidrofil.

    Organizarea proteinelor membranare

    acest tip de proteine, care au regiuni structural ce interactioneaza direct cu regiu-nea interna, hidrofoba, a unui bistrat lipidic, se numesc proteine integraleexista si o alta categorie de proteine membranare care nu interactioneaza cu mediulintern al bistratului lipidic, si care sunt atasate de o parte sau alta a membraneiprin intermediul interactiunilor electrostatice sau de hidrogen; aceste proteine senumesc proteine membranare periferice

    1.4 Carbohidrati membranariOrganizarea carbohidratilor membranari

    . toate celulele eucariote au lanturi carbohidratate la suprafata externa, constitute castructuri de oligozaharide sau poiizaharide legate covaient de proteineie membra-nare (glicoproteine) sau ca structuri de oligozaharide legate covalent de lipidelebiomembranei (glicolipide)

    e totalul moleculelor de carbohidrati reprezinta intre 2 si l0 % din masa totala abiomembranelor

    o biomembranele au caracter de asimetricitate in ceea ce priveste distributia claselorde lipide in cele doua monostraturi; suplimentar, acest caracter este mentinut si inprivinta distributiei de lanturi de carbohidrati atasate de lipide sau proteine caresunt distribute exclusiv in partea ne-citoplasmatica a unei celule unde formeaza ozona specifica, numita glicocalix

    Organizarea carbohidratilor membranari

    in mare parte glicoczrlixul este format din lanturi de carbohidrati,.atasati pe protei-nele membranare sau pe lipidele biomernbranelor, el poate contine si alte structuriglicoproteice adsorbite pe partea externa a membranei celulare

    1.19

    _

    1.20

    1.21

  • |,az

    1.24

    1.25

    . complexitatr' r structurala :.i fnnctionala a glicocalixului si localizarea lor exclusivape partea l Lracelulara confera un rol esentialjucat de glicocalix: cel de recunoas-tere celtr;lrra

    Tipuri de miscari ale componentelor membranare

    r stabilitatea structurilor membranare este rezultatul interactiunilor ce se exercitaintre difeli,'le sisteme de sarcini electrice, caracterizate si de o mare mobilitatespatiala

    r c& urrtor, .t acestor interactiuni, se stabileste un echilibru dinamic complex intrediferitei, .-omponente membranare care au diferite grade de mobilitate, executandmiscalr Je translatie, rotatie si vibratie precum si miscari mai complexe, toateacesl!a conf-erind caracterul de fluiditate al biomembranelor

    Miscarile lipidelor membranare

    r rotatiile se executa in jurul axului longitudinal al moleculeio vibratiile reprezinta departarea catenelor hidrofobe fata de axul moleculei si re-

    venirea lor in pozitie paralela cu acesta (asa-numitele flexii)r translatiile laterale prin care o molecula lipidica isi schimba locul cu o molecula

    vecina se concretizeaza in difuzii rapide cu coeficienti de difuzie de 108crn')f s.Astfel, o lipida poate migra pe intreaga lungime a unei celule bacteriene mari(circa2 pm) in timp de numai o secunda

    . translatiile dintr-un strat lipi

  • Bistratul lipidic - comportament electricValorile tipice ale rezistentei si capacitatii membranei pentru o celula sferica (dia-

    metrul de ordinul a 20 prru) sunt :

    r rezistenta specifica a bistraturilor lipide este de -

    104f,)cm2 deci. Rspec.ifica : R^ * A,ia 4 R^: #: *#k : H

    R-=800.106Q:800/l/Qo capacitatea specifica a bistraturilor lipide este de

    - I p,F I crnz deci

    . Cspeci.fica: fh 1 C*: 1 . 10-6 .4r(I0 .n-4)2c-

    = 1,25 . 10 rrf'

    - r2,5pF

    Circuitul electric echivalent al biomembranelorAvand in vedere detaliile structurale ale unei membrane biologice, din punct de ve-

    dere electric, un asemenea sistem se poate reprezenta cu ajutorul unor elemente pasivede circuit ca un rezistor (R.-) cuplat in paralel cu un capacitor (C,)'.

    1.6 Rezistenta bistraturilor lipidiceDeterminarea proprietatilor electrice ale unui bistrat lipidic

    La aplicarea din exterior a unei diferente de potential transmembranare AV,r, deforma treapta, in acest circuit se stabileste un curent electric care variaza in timp (cores-punzator incarcarii condensatorului):

    rt Vo,

    | [*l - .""i a"J L*u r>

    Din analiza numerica a acestui curent electric se pot determina experimental valorilerezistentei echivalente fir, si a capacitatii electrice C, a unei biomembrane.

    Determinarea rezistentei electrice a unui bistrat lipidic

    1.27

    1.28

    1.29

    ll

    Bistrar lipidic

  • curentul electric L,I^ reprezinta valoarea componentei de curent care se scurgeprin ramura rezistiva a biomembranei, in conditiile in care diferenta de potentialaplicata este AV-

    . efectuund repetitiv experimentul pentru diferite valori ale diferentei de potentialtreapta LV-, se pot determina diferite valori corespunzatoare ale componenteiAI*

    1.30

    Deteminarea rezistentei electrice a unui bistrat lipidicutilizand reprezentarea grafica a dependentei L,Ir, = f(LV*), se poate deduce, uti-

    lizand fitarea acestor date experimentale cu o dreapta, valoarea rezistentei echivalente

    R- a biomembranel:

    1.7 Capacitatea bistraturilor lipidiceValoarea teoretica a capacitatii electrice a unui bistrat lipidic

    r in prezenta unei diferente de potential A%,, - v, - vi (unde v.siv reprezintapoientialele din solutie, de o parte si de cealalta a bistratului lipidic)' acest bistratlipidic se va comporta ca un condensator, facilitand existenta unor sarcini netediferite de zero de o parte si de cealalta a bistratului

    r in cazul cel mai geneial, in care lipidele constituente ale bistratului au capetele po-

    lare incarcate electric la pH-ul solutiei electrolitice, concentratiile ionilor negativi

    si pozitivi in imediata vecinatate a interfetei bistrat lipidic - solutie electroliticavor fi diferite de valorile lor in solutie

    o astfel capacitatea electrica teoretica a bistratului lipidic este mai mica decat valoa-

    rea sa geometrica: in cazul in care concentratia ionilor in solutia electrolitica este

    foarte mare, capacitatea teoretica devine egala cu valoarea sa geometrica

    Determinarea capacitatii electice a unui bistrat lipidic

    o capacitatea electrica a unui sistem este data de relatia:

    c:guncle Q reprezinta sarcina electrica ce este stocata in acel sistem in urma aplicariidin exterior a diferentei de potential [/

    r curentul electric total prin condensatorul asociat biomembranei este dat de

    6

    't .31

    1.32

    124

    ,da'- (it

    l1",. aI'u

    t2

  • Determinarea capacitatii electice a unui bistrat lipidicPrin integrarea curentului electric din circuitul biomembranei intre intervalul

    de timp

    intial t = 0, cand se aplica din exterior diferenta de potential treapta AV*' si un timp t

    (dupaincarcareacompletacondensatorului),sepoatedeterminasarcinatotalascursaprin circuitut biomembranei in acel interval temporal At:

    e t, : .fi t 1t1at

    Determtnarea capacitatii electice a unui bistrat lipidicPrin integrarea curentului electric din circuitul biomembranei intre intervalul

    de timp

    intial t = 0, cand se aplica din exterior diferenta de potential treapta AV-' si un timp t

    (dupaincarcareacompletacondensatorului),sepoatedeterminasarcinatotalascursaorincircuitulbiomembraneiinacelintervaltemporalAt:

    Qu: r(t)dtfi I aqDeterminarea capacitatii electice a unui bistrat lipidic

    Din valoarea sarcinii electrice scursa prin circuitul biomembranei trebuie scazuta

    algebric contributia sarcinii electrice care se scurge prin rezistorul echivalent bistratului

    lipidic.

    1.8 BibliografieBibliografie

    l. Aurel Popescu, Fundamentele biofizicii medicale'Etlitura A|1, Bucuresti, 1,994

    2. Tudor Luchian, Introdttcere in bifizica mttleculara si celulara, Editura Universita-

    tii Alexandru loan Cuza, Iasi, 20013'Anca-Michaelalsrail,Biologiemtlleculara,EdituraHumanitas,Bucuresti,20004.lonNeacsu,DorinaCreanga,Proprietatielectricealemembranelorceltllare,Edi.

    tura Universitatii Alexandru Ioan Cuza' Iasi' 2003

    1.36

    1.37

    AS=Qo,

    IJ