BIOFIZICA htto://www.bio.uaic.ro/studenti/cursuri

Organizarea atomica, moleculara si supra moleculara a materiei vii

La baza organizarii structurale a materiei vii precum si a celei nevii stau cele peste 100 de elemente chimice descoperide in decursul tipului. Ulterior aceste elemnte au fost aranjate intr-un tabel de catre Mendelev si Meyer, tabel ucnoscut sub numele de Sistem periodic al elemntelor. Pozitia fiecarui element chimic estedefinita printr-un numar de ordine notat conventional cu Z, el se numeste numar atomic sau protonic, reprezinta numarul de protoni sau numarul de elctroni al elemntului respctiv. Pe langa numarul de ordine, o caracteristica importanta a unui element este masa atomica, notata conventional cu A, si este exprimata in unuitati de masa unificata (u/Da). Aceasta cunoscuta si sub numele de masa universala reprezinta o unitate de masa utilizata pentru exprimarea masei atomilor si a moleculelor, ea reprezentand aproximativ a 12-a parte din masa unui atom de carbon in stare fundamentala. Un mol dintr-un elemnt sau dintr-o substanta chimica cu masa atomica sau moleculara egala cu o unitate universala de masa va cantari exact un gram. De multe ori termenul de masa atomica este incorect folosit ca sinonim al masei atomice relative (masa atomica relativa sinonima cu greutatea atomica reprezinta raportul dintre masa medie per atom al unui elemmnt si a 12-a parte a masei atomului de carbon 12), al masei atomice medii si al greutatii atomice. Izotopul unui element hcimic este reprezentat de diferite forme ale acelui elemnt toate avand acelasi numar atomic Z dar numar atomic de masa diferit (difera numarul de neutroni). Din numarul mare de elemnte hcimice practic un rol esential in realizarea structurilor vii, il au nu numai: C, H, O, N, alte elemnte precum: S, Cu, Fe, Mg, etc se gasesc in concentratii extrem de mici in alcatuirea materiei vii dar indeplinesc un rol la fel dei mportant ca si celelalte. Legaturile si combinatiile existente intre macro si microelemnte sunt practic nelimitate, de aceea un rol important in explicarea structurilor care compun materia vie li are studierea si cunoasterea legilor care stau la baza dezvoltari legaturilor interelementare in vederea intelegeri diversitatii structurale existente.

Particule si cuante elementare

Termenul de atom provine din limba greaca de la cuvantul ATOMOS insemnand indivizibil. Atomul reprezinta cea mai mica particula a materiei care pastreaza proprietatile chimice. Idea de indivizibilitate a fost inlaturata in 1897 de catre J.J. Thomson care studiind razele catodice descopera electronul. In 1905 Einstein demonstreaza existenta fizica a fotonilor postulati de catre Max Planck din 1900. In 1907 Rutherford a pus in evidenta existenata nucleului atomic cel care contine cea mai mare parte din masa atomica. Acesta a intuit existenta unor subparticule care alcatuiau nucleul si care au fost puse in evidenta mult mai tarziu (protonul 1918-Rutherford, neutronul 1932-Chadwick). Astfel s-a introdus termenul de nucleoni pentru particule sub atomice care intra in componenta nucleului. Dupa 1950 odata uc perfectionarea acceleratoarelor si detectoarelor de particule au fost puse in evidenta zeci de sub particuel atomice. Marea majoritate a particulelor care au fost descoperite nu se intalnesc in conditii normale. Ele fiind produse ale interactiunii razelor cosmice cu nucleele moleculelor din atmosfera sau energiilor inalte in cadrul experimentelor facute cu acceleratoarelor de particule. Dupa 1968 odata cu dezvoltarea modelului quark a fost elaborata in 1970 teoria modelului standat, teorie pe care se bazeaza fizica actuala. Pana in prezent au fost pusee in evidenta peste 200 de particule impartite in 2 mari categorii: particule fundamentale si particule compozite. Materia este alcatuita din multiplele combinatii la care iau parte doar 18 particule fundamentale (fundamentala) din care 12 sunt considerate caramizile fundamentale ale materiei si 6 sunt particuel elementare care stau la baza celor 4 forte fundamentale existente in universul cunoscut (forta tare, forta slaba, forta electromagnetica, forta graqvitationala). O particula fundamentala sau elementara este o particula a carei structura interna, nu poate fi masurata si deci nu este compusa din alte particule.

Fenomene fizice naturalein care sunt imlicate particule

Radiatia electromagnetica

Radiatia electromagnetica (unedele electromagnetice) reprezinta un fenomen fizic natural sau artificial ce consta dintr-un camp electric si unul magnetic care oscileaza in faze perpendiculare una pe cealalta pe directia si sensul vectorului de propagare a energiei. Radiatia elegtonagnetica este clasifica conventional in functie de frecventa: unde radio (0-300MHz [1m]); microunde (0,3-300GHz [1mm]); unde terahertz (300GHz-3THz [mM]); infrarosu (100mM-750nM); vizibil (750nM-400nM); ultraviolet (400nM-10nM); raze X (10nM-0,01nM); radiati GAMA (sub 0,01nM).

Dezintegrarea radioactiva

Este procesul in care nuclee atomice instabile pierd energie prin emisii de radiatii si particule ionizante. In cadrul dezintegrarii radioactive dintr-un atom oarecare denumit nuclid parinte rezulta un alt atom de alt tip numit nuclid fica. De exemplu: Po (209/84)=Pb(207/82)+He(2/2). Acesta este un fenomen aleatoriu de aceea nu se poate determina cand se va dezintegra un anumit nucleu atomic, de-si pentru un numar mare de nuclee de un anumit tip se poate estima cate dintre ele vor suferi dezintegrarea intr-un anumit interval de timp. Protoni si neutroni constituenti ai nucleului ca si alte particule asemanatoare sunt guvernate de o serie de interactiuni. Prin combinatia lor (forta nucleara tare, slaba si electromagnetica) anumite configuratii ale particulelor au propietatea de a cadea intr-un aranjament energetic inferior, eliberand astfel energie un asfel de eveniment de dezintegrare necesita o energie de activare specifica. In cazul unui nucleu atomic aceasta energie de activare se manifesta ca o perturbare aleatoare sau intamplatoare cauzata de o fluctuatie contica a vidului (in teoria cuantica a campului vidul este o stare cuantica cu cea mai joasa energie posibila si nu contine particule fizice. Principiul incertitudini insa demonstreaza faptul ca particulele pot sa existe pentru o perioada scurta de timp chiar si daca nu exista suficienta energie pentru a putea fi create. Ca efect ele sunt rezultatul unei incertitudini in energie. Se poate spune ca aceste particule imprumuta energia necesara creatiei lor si apoi dupa un timp foarte scurt o returneaza si dispar. Intrucat aceste particule nu au o existenta permanenta ele sunt denumite particule virtuale. Chiar si intr-un vid perfect perechi de particule virtuale sunt constant create si distruse de si ele nu pot fi observate efectele pe care le produc sunt reale. Multe fenomene fizice observabile sunt rezultatul interactiuni particulelor virtuale [forta nucleara tare, forta nucleara slaba, forta culomb, interactiuni van der Walse]). Rezultatul transformari altereaza structura nucleului. Spre deosebire de reactiile chimice care deasemenea sunt cauzate de entropie dar in care sunt implicate modificari ale aranjamentului electronilor de pe straturile exterioare ale atomilor, dezintegrarile radioactive sunt reactii nucleare. Din punct de vedere al tipurilor de emisie in cazul dezintegrarilor radioactive au fost puse in evidenta 2 categorii: particule sub atomice (radiatii alfa; radiatii beta/beta+; neutroni)/ unde electromagnetice (radiatii gamma). Particulele subatomice au primit initial denumirea de raze deoarece natura lor nu era cunoscuta la momentul respectiv.

Radiatiile alfa sunt reprezentate de nuclee de He(2/2) care desi au energie inalta datorita masei lori mari au o viteza de deplasare redusa, fiin suficienta o foaie de hartie pentru a le opri.

Radiatii beta- compuse din electroni. Procesul fiind datorat interactiunilor nucleare slabe. Aceste emisii au o putere de penetrare mai mare putand fi oprite de o folie de aluminiu cu grosimea de 3mm.

Radiatii beta+ sunt copuse din pozitroni (antimaterie), procesul este cunoscut si subn umele de dezintegrare beta inversa si se manifesta la nucleele instabile cu un exces de protoni, situatie in care un proton se transforma intr-un neutro+un pozitron+un electron neutrino, in acest caz nucleele atomice devin instabile, de regula un astfel de tip de dezintegrare are loc in nuclee atunci cand energia absoluta de legatura a nucleului rezultat este mai mare de cat cea a nucleului initial.

Unde electromagnetice care se manifesta prin radiatii gamma. Toate aceste emisii la un loc (alfa, beta, gamma) au propietatea de a ioniza gazele prin care trec. Din acest motiv ele se mai numesc radiatii ionizante. Un caz natural in care se poate vedea acest fenomen este aurora boreala.

Fuziunea nucleara

Este procesul prin care doua nuclee atomice reactioneaza pentru a forma un nou nucleu cu masa mai mare de cat nucleele initiale. Ca urmare a fuziunii se produc si alte particule subatomice (neutroni, raze alfa, electroni, pozitroni, etc). Din cauza ca nucleele participante in fuziune usnt incarcate electric raectia de fuziune nucleara poate ava loc numai atunci cand cele 2 nuclee au energie cinetica suficienta pentru a invinge potentialul electric si prin urmare se apropie suficient pentru ca fortele nucleare (care au raza de actiune limitata) sa poata rearanja nucleoni. Aceasta conditie presupune temperaturi extrem de ridicate, daca reactia are loc intr-o plasma sau accelerarea nucleelor in acceleratoare de particule. Fuziuenea nucleara este sursa principala a energiei din stele.

Fisiunea nucleara

DE COMPLETAT!!!!!!!!!!!!

Numere cuantice

Numarul cuantic principal se noteaza cu n si trebuei s fie intotdeeauna >=1. numarul cuantic principal defineste nivelul energetic al stratului pe care se afla electronul. Acesta determina semiaxa mare a stratului electronic deoarece indica distanta medie a unui grup de orbite fata de nucleu. Toti electroni unui strat au acelasi numar cuantic principal, acest numar putand lua teoretic orice valoare intreaga. Se obisnuieste ca fiecare strat caracterizat printr-un numar cuantic principal sa se noteze cu majuscule. Numarul maxim de electroni dintr-un strat este egal cu 2n^2.

Numarul cuantic secundar se noteaza cu l, el indica substratul energetic din interiorul unui strat. El determina forma norului electronic deoarece indica semiaxa mica a orbitei. Totodata numarul cunatic secundar indica ce valori poate lua momentul cinetic al electronului acest numar cunatic nu poate avea decat valori pozitive. Substraturile se mai noteaza conventional cu literele s, p, d, f, deoarece fiecare substrat se caracterizeaza printr-un anumit numar cuantic l, nori electronici vor avea diferite tipuri de simetrie. Substratul s are intotdeauna simetrie sferica, substratul p are simetrie bilobata.

Numarul cuantic magnetic ml, el caracterizeaza diferite orientari in spatiu ale numarului electronic de regula sub actiunea unui camp exterior (electric sau magnetic). Fiecare substrat electronic inglobeaza la randul lui un anumit numar de substraturi energetice care se pot pune in evidenta doar prin introducerea atomului in campuri exterioare aceste substraturi se numesc orbite elementare sau orbitali.numarul cuantic magnetic poate lua doar valori intregi. Din acest punct de vedere se deduce ca fiecare nivel energetic l sub actiunea unui camp exterior se desface 2l+1 orbitali. In absenta unui camp exterior toate starile cu ml diferite se reduc la o singura stare caracterizata de aceeasi energie in acest caz aceste stari neputand fi deosebite se numesc degenerate. Momentul magnetic al electronului este o constanta ffizica descoperita de fizicianul roman Stefan Procopiu (1913) si redescoperita 2 ani mai tarziu independent de catre Bohr. Astazi constanta este denumita magnetonul Bohr-Procopiu.

Numarul cunatic magnetic de spin ms. Numarul cuantic de spin (s) caracterizeaza proprietatea electronului de a avae un moment cinetic propriu numit spin. Electronul in afara miscarii in jurul nucleului descrisa de momentul cinetic orbital se mai caracterizeaza si printr-o miscare de rotatie in jurul propriului centru de masa. Aceasta miscare descrisa de momentul cinetic propriu este o marime cuantificata ce depinde de numarul cunatic de spin si care are valoare insa proectia momentului cinetic propriu pe directia unui camp magnetic este cuantificata de numarul cunatic magnetic de spin care poate lua 2 valori, dupa cum spinul este orientat paralel sau antiparalel cu momentul cinetic orbital. Introducerea numarului cunatic magnetic de spin a permis explicarea proprietatilor magnetice ale substantelor si a structurii foarte fine a liniilor spectrale ale atomilor.

Atomi cu mai multi electroni

Numerele cuantice prezentate sunt valabile atat pentru atomul de hidrogen cat si pentru atomii in al caror nucleu sunt mai multi protoni respectiv au un invelis cu mai multi elctroni. Toti acesti electroni vor tinde sa ajunga in atom in cea mai saraca pozitie energetica. In acest mecanism intervine insa in primul rand principiul de excluziune a lui Pauli, conform caruia intr-un atom nu pot coexista 2 electroni cu toate numerele cuantice identice deoarece primele 3 numere cunatice determina structura spatiala a unui orbital conform principiului de excluziune inseamna ca in fiecare astfel de orbital pot fi prezenti numai 2 electroni cu spin opus. Din cele prezentate se observa ca saturarea fiecarui orbital pe masura ce se avanseaza in sistemul periodic si trecerea catre un nivel cuantic superior se realizeaza prin folosirea tuturor posibilitatilor corespunzatoare unui numar cunatic si apoi se trece la urmatorul nivel. Daca valoarea energetica de exemplu in cazul orbitalului 4s este mai mica de cat cea a orbitalului 3d atunci vor fi ocupate orbitalele 4s inaintea celor 3d. pentru interpretarea diferitelor pozitii de spin ale elctronilor se are in vedere valabilitatea reguli lui HUND conform careia electroni situati la acelasi nivel energetic se orienteaza astfel in cat sa se creeze cat mai multi electroni nepereche cu spin paralel. Pe baza acestor 2 principii (HUND si PAULI) referitoare la pozitia care o ocupa electroni in atom poate fi redata distributia pozitiei electronice pentru toate elementele sistemului periodic.

Formarea moleculilor. Structuri moleculare

Pentru intelegerea formarii moleculelor si a structurilor biologice din componentele moleculare este necesara cunoasterea diferitelor tipuri de interactiuni elementare care se manifesta intre acestea. Rezultatul acestor interactiuni este formarea unor legaturi chimice deci al unor noi componente moleculare sau dispunerea spatiala a acestora in conformitate cu fortele intermoleculare care se manifesta intre componente. Fortele interatomice si intermoleculare deriva in ultima instanta din faptul ca atomi contin sarcini electrice de semne contrare nucleul (nucleul pozitiv si electroni din invelis negativi) aceste forte sunt deci de natura electrostatica. Baza de interpretare a tuturor actiunilor electrostatice o constituie legea lui Coulomb (magnitidinea unei forte de natura electrostatica dintre 2 puncte incarcate este direct proportionala cu magnitudinea fiecarei incarcari electrice si invers proportionala cu patratul distantei dintre ele). Formarea moleculelor este explicata prin 2 teorii: teoria orbitalului molecular si teoria legaturi de valenta.

Teoria legaturi de valenta

In chimie aceasta teorie a fost elaborata apeland la mecanica cuantica in scopul explicarii legaturilor chimice. Aceasta se centreaza pe mecanismul prin care orbitali atomici ai atomilor liberi se combina in scopul formarii moleculelor prin legaturi chimice individuale. In 1916 LEWIS a propus teoria conform careia o legatura chimica se formeaza prin interactiunea a 2 electroni de legatura care suntvpusi in comun. Astfel este introdusa si reprezentarea moleculelor sub forma de structuri LEWIS. In 1927 HEITLER si LONDON au determinat cu poate fi folosita ecuatia lui SCHORINGER pentru a demonstra cum se pot uni 2 atomi de hidrogen printr-o legatura covalenta. Mai tarziu PAULING a dezvoltat 2 noi concepte rezonanta si hibridizarea orbitalilor.astfel teoria legaturi de valenta considera ca suprapunerea orbittalilor atomici ai atomilor participanti formeaza o legatura chimica. Datorita suprapuneri este foarte probabil ca electronii sa se gaseasca in regiunea legaturii. Aceasta teorie considera legaturile ca fiind niste orbitali slab cuplati. Ea este foarte usor de aplicat starilor fundamentale ale moleculelor. Suprapunerea orbitalilor poate insa sa difere cele 2 tipuri de orbitali care se suprapun sunt sigma si pi. Legaturile sigma apar cand orbitali a 2 electroni pusi in comun se suprapun unul in continuarea celuilalt (axa unuia este prelungirea celuilalt). Legaturile pi apar cand 2 orbitali se suprapun in pozitie paralele (axele lor usnt paralele) astfel se considera o legatura covalenta ca fiind rezultatul unei singure legaturi sigma. O legatura dublu covalenta e una sigma si una pi iar una tripl;u covalenta e una sigma si 2 pi. DE COMPLETATT!!!!!!!!!!!!!

Legatura prin punte de hidrogen

Aceasta este o forma speciala a legaturi dipole-dipol, exercitata prin fortele electrostatice care iau nastere intre gruparea OH, -NH, FH, si perechea de electroni neparticipanti ai oxigenului, azotului, respective fluorului. Dimensiunile puntilor de hidrogen pot avea valori care ating 0,28nM energia de legatura, a unei punti de hifrogen reprezinta doar o zecime din valoare legaturi covalente motiv pentru care acest tip de legatura este osor disociata. Intre gruparile laterale ale moleculelor care au structura primara formata prin legaturi covalente se pot frorma punti de hidrogen care determina o reducere a pozibilitatilor de rotatie in jurul acestei legaturi. Astfel pot lua nastere alte structure cum sunt structurile secundare ale biopolimerilor desi puntile de hidrogen au un rol esential in determinarea structure spatiale ale biopolimerilor contributia lor in solutie ca stabilitate este aproape nula. Formarea puntilor de hidrogen explica agregarile molecular care determina proprietatile fizice ale apei si are un rol important in stabilirea strcuturii spatial a acestor biopolimeri. In acelasi timppuntile de hidrogen sunt esentiale pentru stabilirea unor legaturi specifice intre macromolecule sau intre o micromolecula si un anumit loc reactiv de pe o macromolecula. De exemplu: formarea dublului helix intre 2 lanturi complementare de ADN; formarea din nucleotide a unui lant de ADN pe modelul unui lant de ARN; fixarea neurotransmitatorilor pe receptori membranari. Toate aspectele se baseaza pe constituirea puntilor de hidrogen.

Interactiuni aromatice (pi-pi)

Aceste tipuri de interactiuni sunt de natura noncovalenta si apra exclusive la compusi aromatic. Interactiunile pi-pi, se datoreaza suprapuneri intermoleculare a orbitalilor p in sisteme pi-conjugate, astfel incat taria legaturii creste odata cu numarul electronilor pi. Interactiunile pi-pi actioneaza mai puternic in cazul hidrocaburilor aromatice policiclice datorita electronilor pi delocalizati in numar foarte mare. Aceste interactiuni sunt mai puternice decat celelalte interactiuni noncovalente si joaca un rol important in formarea structurilor supramoleculare. In molecula de ADN, interactiuni pi-pi apar intre nucleotidele adiacente, si cresc stabilitatea molecule. Bazele azotate ale molecule de ADN sunt atat inele piridimice si pirimidinice. In interiorul molecule de ADN inelele aromatice sunt pozitionate aproape perpendincular pe catena de ADN astfel planurile inelelor aromatice sunt aranjate paralele in raport unele cu altele, permitand bazelor sa participle la interactiuni aromatice.

Interactiunea hidrofoba

Prin dizolvare orice molecula face ca moleculele de apa aflate in contact cu ea sa nu mai poata stabili acelasi numar de punti de hidrogen intre ele. Astfel putand sa apara punti de hidrogen intre apa si chiar molecula dizolvata. Daca molecula dizolvata are o portiune hidrofoba, asa cum sunt catenele hidrocarburice ale acizilor grasi, moleculele de apa in contact cu aceasta portiune vor avea mai putine legaturi de hidrogen, deci energia potential a sistemului va fi mai mare. Tendinta de atingere a energiei potentiale minime face ca suprafetele de contact cu apa ale gruparilor hidrofobe sa fie cat mai mici deci ca aceste grupari hidrofobe sa fie in cat mai mare masura in contact intre ele. Acesta este efectul hidrofob care determina ca moleculele sau gruparile hidrofobe sa se alature si deci sa se structureze atunci cand sunt dizolvate in apa. Structurarea se face pe baza unor forte de atractie intre ele si de respingere fata de solvent. Efectul hidrofob contribuie la realizarea structure spatial a proteinelor, la stabilitatea dublului helix ADN, la formarea unor complexi macromoleculari (antigena-anticorp), insa rolul rol cu adevarat determinant este in structurarea supramoleculara a materiei vii.

Arhitectura componentilor moleculari ai materiei vii

http:// www.bio.uaic.ro/studenti/cursuriPDB.protein databank?Jmol

Biofizica celulara

Problema generala a organizarii materiei vii include biodsinteza multitudini de component moleculari si asamblarae acestor molecule in structure ordonate formand organite celule, tesuturi si in ukltima instant organism. Asamblarea moleculelor biopolimerice in structure de nivel superior este considerat un process de autoasamblare. Process care de curge din tendinta fiecaraei molecule de a ajunge in pozitia minimului de energie libera posibila in conditiile date. Desi viata este un asamblu de procese care sunt indepartate de starea de echilibru termodinamic iar entitatile biologice sunt structure disipative. In aceste conditii asamblurile molecular tind sa se gaseasca in starea cu energie minima compatibila cu barierele energetic existente in sistem. Asamblul acestor bariele defineste caracterul disipativ al structuri. Celulele reprezinta un sistem termodinamic deschis. In relatiile cu mediul inconjurator celula receptioneaza mesajele sub forma de cunate de energie, substanta sau informatie pe care le recunoaste, le interpreteaza si apoi le prelucreaza, coordonandu-si activitatea in functie de particularitatile mediului celula este capabila de a comunica cu structurile in anturajul carora se afla. Comunicarea dintre cellule se face pe cale chimica, prin intermediul mediatorilor chimici sau particular cu ajutorul neurotransmitatorilor. Un mesaj chimic este reprezentat printr-o molecula care este recunoscuta de catre alta molecula numita in acest caz molecula receptoare, aceasta molecula receptoare este localizata de regula in structura membranelor. Moleculele receptoare constituie din acest punct de vedere, adevarate platforme pentru chemoreceptie. Molecula mesaj numita si molecula agonist, daca este hidrofila nu poate patrunde in interiorul celulei pentru ca nu poate traversa membrane lipidica. In acest caz mesajul lor trebuie prelucrat, adica trebuie decodificat si transmis in interiorul celulei (ex: un receptor membranar ocupat de o molecula mesager intra in actiune cu o enzima membranara [adenilat ciclaza] aceasta scindeaza molecula de ATP, molecula care face parte din grupul nucleotidelor ciclice cu rol de mesager secundar intracelular [CAMP]). Receptorul membranar ocupat de o molecula mesagera intra in actiune cu o enzima membranara ( adelilat-ciclaza*-este o proteina transmembranra care traverseaza membrana plasmatica de 12 ori, componenta principala raspunzatoare de functia proteinei este localizata in citoplasma si este subdivizata in mai multe regiuni: Nterminus si C1A, C1B, C2A, C2B; regiunea C1 apare intre alfa helixurile membranare 6 si 7 iar regiunea C2 este continuarea alfa helixului 12, domeniile c1a si c2a formeaza un dimer catalitic unde molecula de ATP se leaga si este scindata la CAMP).La randul sau CAMP poate activa in continuare o enzima din clasa proteichinazelor care mai departe fosforileaza unele proteine din citosol transformandu-le astfel in enzime capabil sa modifice alte proteine.Proteinchinazele sunt enzime capabile sa fosforileze alte proteine ( le adauga un grup fosfat), de regula fosforilarea se concretizeaza printr-o modificare functionala a proteinei substrat schimbandu-se astfel activitatea enzimatica. In genomul uman au fost identificate aproximatic 500 de gene codificatoare pentru proteinchinaze ( aproximativ 2% din intregul genom).30% din proteinele umane sunt modificate de catre activitatea chinazelor .Acestea fiind identificate ca intervenind in reglarea majoritatii cailor metabolice celulare cu preponderenta in transductia semnalelor chimice.In acest mod are loc codificarea mesajului initial in mesaje intracelulare care sunt in acelasi timp amplificate numeric.Receptorii sunt proteine deoarece numai acestea pot prezenta structuri 3d suficiente de complexe pentru a se asigura o moare specificitate de recunoastere intre molecula mesagera si cea receptoare.Cand are loc o astfel de cuplare se initiaza o cascada de reactii biochimice.In primul rand prin cuplarea dintre molecula mesagera si cea receptoare se modifica dipol momentul structurii nucleate si prin interactiuni cu dipol momentele moleculelor vecine se modifica intreg dipolmomentul membranar.In consecinta au loc in primul rand reactii de orientare si reorientare a a structurilor moleculare membranare, acestea pot fi caracterizate prin aparitia miscarilor moleculare de vibratie.Aceste miscari vor conduce la o reorganizare a structurii membranare care au drept consecinta deschiderea sau inchiderea microcanalelor si impicit a porilor membranari precum si modificarea portilor ionice si moleculare.Cercetarile au constatat ca unele produse farmaceutice sunt capabile sa se lege specific de unii receptori naturali, dar sunt incapabile sa produca un efect fiziologic indiferent de concetratii.Aceste substante au fost denumite substante antagoniste fata de un anumit receptori pentru ca blocheaza receptorul, acesta devenind incapabil de a mai primi mesajul molecular natural. In reactiile receptor-agonist pe de o parte si receptor-anatgonist pe de alta parte se disting urmatoarele particularitati functionale:Efectul de competitivate; Efectul de saturatie; Efectul de reversibilitate.Din considerente insuficient eluciditate se constata ca intr-o situatie , receptor agonist-antagonist probabilitatea de cuplare a receptorului cu antagonistul este mai mare decat cea de cuplare ce agonistul.Densintatea de receptor pe unitate de suprafata de membranara este limitata de aceea in mecanismul de cuplare a receptorului efectul de saturatie va fi o importanta la fel de mare ca si caracterul de competetivitate dintre agonist si antagonist.Cuplarea receptorului cu agonistul va fi urmata de o decuplare naturala datorita existentei cel putin a unui sistem enzimatic de decuplare.Acesta va duce la eliberarea moleculei receptoare si implicit la reluarea ciclului functional.Deoarece pentru moleculele antagoniste nu se cunoaste un mecanism enzimatic de decuplare sistemul recepotr antagonist cuplat prezinta o mai mare stabilitate deci o reversibilatate scazuta ceea ce are ca efect scoaterea temporara ( sau totala) din circuitul functional al unui numar mai mare sau mai mic de receptori membranari.Acest fapt are o importanta farmacologica deosebitape pentru ca s-au elaborat multe medicamente cu actiune antagonista ( ex: antihistaminele care blocheaza efectul pantogen al histaminelor*( histamina este o substanta biologica implicata in raspunsul imun si inreglarea fiziologica a functiilor tubului digestiv; stomac , intestin; ea actioneaza asemenea unui neurotransmitator, histamina se gaseste aproape in toate celulele organismlui animal.In cazul celulelor parietale de la nivelul stomacului care produc acid gastric ca raspuns la cuplarea cu histamina[ agonist] prin intermediul receptorilor H2; acetil-colina prin intermediul receptorilor M3; gastrina prin intermediul receptorilor CCK2.In toate cazurile receptorii histaminici actioneaza prin cresterea CAMP intracelular, in timp ce receptorii gastrinici induc cresterea Ca2+, atat CAMP cat si Calciu intervin prin intermediu proteinchinazelor la intensificarea transportului acidului in stomac) in producerea ulcerelor gastrice.Similar actioneaza medicamentele betablocante care in mod specific impiedica noradrenalina sa se fixeze pe receptorii cardiaci prevenind astfel instalarea unor afectiuni cardiovasculare.FENOMENE DE TRANSPORT PRIN BIOMEMBRANE

Existenta celulei vii ca sistem termodinamic deschis impune prezenta unui schimb permanent de substante intre mediul extern si cel intern.Acest lucru poate fi realizat atat prin distrugerea locala a integritatii membranei cum este cazul proceselor sau cu pastrarea integritatii membrane prin procese de difuzie si transport activ adica pe procese bazate pe permeabilitatea membranara.

TRANSPORTUL PASIV:Consideram faptul ca atat mediul intern cat si cel extern sunt constiuite din solutii apoase , procesul fizic primordial care sta la baza stimului de substante intre celula si mediu este difuzia.Intrucat acest caz gradientul de concentratie se stabileste pe o distanta egala cu grosimea membranei , se poate aplica legea 1 al lui Fick:Flux=-P*A*(C1-C2) ;( c1 si c2 reprezinta concentratiile substantei considerate de o parte si de cealalata a membranei; P-coeficientul de permeabilitate care se exprima de regula in m/s si A- aria suprafetei unde are loc difuzia.Asemenea coeficienti de permeabiltate pot fi calculati daca se masoara fluxurile de substanta ( influxul si efluxul) , adica cantitatea de substanta care intra sau iese din compartimentul considerat.Cele mai moderne metode de masurare a fluxurilor se bazeaza pe folosirea izotopilor radioactivi astfel s-au putut determina cu precizie valorile coeficientilor de permeabilitatea pentru diferite membrane si substante.Daca luam in considerare compozitia chimica a membranelor biologice ( predominant lipidica) este de asteptat ca substantele liposolubile sa aiba coeficienti mari de permeabilitate.Interesant este insa faptul ca unele substante care nu dizolva in lipide ( apa, ioni, glucoza, aminoazici) patrund relativ usor prin membrana, in acest caz se considera ca exista o structura specifica la nivelul membranei reprezentate de pori sau transportori care faciliteaza pantrunderea acestor substante.Mecanismul nu este acelasi pentru toate categoriile de substante.In unele cazuri patrunderea poate sa fie pasiva in conformitatea cu annumite forte fizice iar in alte cazuri poate fi activa cu consum de energie metabolica.In conformitate cu legea lui Fick s-ar parea cu singura forta care determina difuzia este diferenta de concentratie.Nu trebuie insa neglijat faptul ca in cazul membranelor vii exista si o polarizare electrica a acestora.Astfel potentialul de membrana constituie si el o forta importanta de difuzie.In termen termodinamici energia libera utilizata in procesul de difuzie este data de un potential electrochimic.In sens fizic mai general este posibil sa intervina si un gradient de presiune si de temperatura, dar acestia nu constiutie factori de importanta majora in istemle biologice si de aceea nu sunt luati in calcul.Substanele incarcate electric nu se distrubie obligatoriu in conformitate cu gradientul de concentratie , deoarece ele sunt supuse ambelor componente ( si electrica si de concetratie) ale gradientului electrochimic.Patrunderea unui cation a carui concetratie este initial la echilibrul chimic va fi favorizata de existenta unui potential de membrana cu polaritate pozitiva la exterior si negativa la interior si va fi franta de un potential de polaritate inversa.Concetratia finala a ionului in fiecare compartiment va fi dictata de legea echilibrului electrochimic.Valoarea potentialului la echilibru fiind data de legea lui Nernst.In cazul in care este vorba de mai multi ioni se scrie o ecuatie NERNST pentru fiecare dintre ei , iar potentialul total va fi o suma de potentiale.Ca regula generala orice transport cvare se face conform gradientului electrochimic este considerat drept transport pasiv.Exista si cazuri special de transport pasiv cele, care se incadreaza in procesele de difuzie facilitate.Acest mecansim se supune si el regulilor anterior. descrise dar se desfosoara cu viteze mult mai mari cmparativ cu difuzia simpla.Ca si in cazul reactilor catalizate nivelul echilibrului final nu este afectat dar acesta se atinge mult mai repede.Exemple de difuzie facilitate : transportul glucozei prim membrane sau transportul apei.In conditii de echilibru osmotic apa se supune legilor obisnuite ale difuziei.In conditii de dezechilibru osmotic apa este transportata mult mai repede.Acest aspect implica existent unor structure special ( pori sau transportori ) care se favorizeze trecerea apei in anumite conditii asa cum se intampla si in cazul altor procese de difuzie facilitate.*OSMOZA- reprezinta deplasarea moleculelor solventului fara consum de energie metabolica printr-o membrane slectiv permeabila spre un comprtiment in care concentratia substantei dizolvate este mai mare, cu scopul de a egaliza concetratiile in ambele compartimente.

TRANSPORTUL ACTIV:Ideea care a stat initial la baza acordarii denumirii de transport pasiv a fost aceea a neinterventiei active a celulei.Acest lucru nu pare sa fie adevarat in toate cazurile definite ca transport pasiv.D exemplu:potentialul de membrane care permite acumularea unor substante imptriva gradientului de concetratie dar in conformitate cu gradientul electric este in fond mentinut pe vbaza de consum metabolic.Chiar si in cazul difuziei facilitate se ridica probelma originii si intretinerii structuriloe specific ( a transportorilor) care participa la acest proces.Este evident ca pentru sinteza si intretinerea lor s-a consumat energie metabolic.

In opozitie cu transportul pasiv transportul active se defineste ca fiind acea forma de transport care necesita energie metabolica.Dupa cum s-a prezentat aceasta conditie este insa foarte relative deoarece multe din transporturile considerate passive necesita in ultima instanta energie si sunt astfel cuplate chiar daca intr-un mod indepartat si indirect cu un process metabolic furnizor de energie.In unele cazuri acesasta cuplare este evidenta imediata si ca atare este catalogata drept transport activ.Deci caracteristica principal a transportului activ este aceea a cuplarii cu un process furnizor de energie.Se cunoaste ca forma chimica esetiala de inmagazinare a energiei in celulaeste molecula de ATP.Daca transportul se efectueaza ca o consecinta directa a utilizarii energiei eliberate prin hidroliza ATP-ului atunci se poate vorbi despre un cuplaj direct( transport active primar).Astfel este cazul unor pompe de ioni cu cea este de Na/K sau cea de Ca.Pompa de Na/K reprezinta mecanismul active de mentinere a asimetriei ionice a membrane celulare cu prvire la ionul de Na si K .Prin actiunea ei se mentine o contratie ridicata de Na la exterior si o concetratie de K la interior.Acest fapt reprezinta o conditie esentiala pentru manifestarile electrice ale celulei. Sistemul care in mod figurative a fost denumit pompa de Na si K reprezinta la nivel membranar un agregat molecular capabil sa hidrolizeze ATP sis a utilizeze astfel energia eliberata pentru transferarea Na si K in sens contrat gradientilor de concetratie ai acestora.Acest system este deci o ATP-aza de transport a Na si K a carei activitate enzimatica este activate chiar de ionii de Na si K.Experimental acest mechanism a putut fi pus in evident prin blocarea lui cu un compus chimic denumit ouabaina.In 1965 Skou a analizat in detaliu proprietatile ATPazelor activate de Na si K care au fost isolate din diferite tesuturi evidetiind dovezi care ssa confirme ca acestea constituie sisteme de transport al acestor ioni.Astfel aceste ATP-aze sunt localizate in membranele celulare si intensitatea cu care hidrolizeaza ATP-ul este proportional cu concetratia sodiului in interiorul celulei si K in exterior.Na/K ATP-aze exista in toate celulele in care are loc transport activ al Na si K si aceste enzyme au locatii active cu afinitate mare pentru K situate pe fata externa membrane.Aceasta separare spatiala a locurilor active coincide cu cerinta fiecaruia dintre cei doi ioni din compartimentul in care se gasesc la concetratie scazuta pentru a fi transferati in comartimentul cu concetratii mai mari.In 1967 doi cercetatori Garraham si Glynn au facut ca pompa de na si k sa funtioneze in sens invers expundand membrane erotrocitare la concetratii externe de Na atat de mari incat acest ion numai poate fi pompat de spre exterior ci el intra spre interior antrnand pompa in sens invers.Complexul molecular care in mod normal hidrolizeaza ATP comportandu-se ca ATP-aza in mod normal realizeaza si el in acest conditii functia inversa de sinteza a ATP din ADP.In ceea ce priveste stoechiometria reactilor de transfer a Na si K s-a dovedit ca in celulele de diferite tipuri energia rezultata din hidroliza unei molecule de ATP serveste de regula la pomparea activa a 3 ioni de Na in exterior si de 2 de K in interior.Insa in alte cazuri acest raport poate fi variabil .In 1969 Mullins si Brymlei au aratat ca raportul dintre numarul de ioni de Na si de K introdusi in cazul axonului gigant de la calmar este variabil crescand cu cat concetratia Na din interior este mai mare. Aceasta posibilitate permite deci ca pompajul ionic sa se adapteze variatiilor de conditii care pot surveni de exemplu (in urma conducerilor impulsurilor).CANALE DE PROTONI*-VOLTAJ DEPENDENTE:Aceste canale se deschid in timpul depolarizarii insa sunt strans legate de valoarea Ph-ului (Ph senzitive).in cosecinta acest canale se deschid doar atunci cand gradientul electrochimic este orientat catre exterior, adica deschiderea lor va permite protonilor doar sa paraseasca celula.Functia lor este sa opreasca instaurarea unui mediu acid in celula.O alta functie importanta apare in cazul fagocitelor (euzinofile, neutrofile etc.) .cand o bacterie este inglobata de catre fagocit , NADPH-oxidaza genereaza superoxizi prin transferul de electroni de la NADPH in interiorul celulei si i cupleaza cu oxigenul molecular formand superoxid care este un radical liber extrem de reactiv si care distruge bacteria.NADPH-oxidaza este electrogena transportand electroni prin membrana iar canalele protonice se deschid pentru a permite contrabalansarea sarcinilor negative prin fluxul de protoni.CANALE IONICE LIGAND-DEPENDENTE: aceste canale se activeaza sau inactiveaza in prezenta unui ligand* (un ligand poate fi un atom , ion, sau molecula care in general doneaza unul sau mai multi electroni prin intermediul unei legaturi covalente coordinative sau pune in comun electroni printr-o legatura covalenta unora sau mai multor atomi centrali).Canale ionice ligand dependente mai sunt cunoscute si sub denumirea de receptori ionotropi.Acestea se inchid sau se deschid ca raspuns la unirea cu un mesager chimic .Acesti receptori -canale sunt foarte selectivi pentru mai multi ioni ( Na, K, Ca, Cl) .Astfel de receptori sunt localizati la nivelul sinapselor , transformand direct semnalul chimic presinaptic reprezentat de eliminarea neurotransmitarului intr-un semnal electric post-sinaptic.Canalele au de regula o structura pentamerica fiecare subunitate avand in structura un domeniu extracelular la care se leaga ligandul si un domeniu transmembranar format dintr-un numar variabil de helixuri.1) Receptori pentru acetilcolina:acestia sunt proteine membranare integrale care raspund la unirea cu neurotransmitatorul acetilcolina.Acesti receptori sunt clasificati in functie de afinitatea lor relativa la diferite molecule .Prin definitie toti acesti receptori raspund la acetil colina dar s-a constatat ca o pot face si la alte tipuri de molecule, astfel exista 2 grupe: a) nACHR-receptori nicotinici pentru acetilcolina ( receptori ionotropi).Acestia fiind foarte receptivi la nicotina.; B)mACHR-receptori muscarinici pentru acetilcolina (receptori metabotropi).2) Receptori pentru glutamat:glutamatul este cel mai raspandit neurotransmitator din copr fiind prezent in peste 50% din tesutul nervos.El a fost descoperit ca neurotransmitator la insecte in 1960. Cei doi receptori primari pentru glutamat au fost denumiti dupa substantele agoniste pentru care au o inalta specificitate: a) AMPA(alfa-aminotreihidroxilcincimetilpatruixosazolpropionat) ; b)NMDA (n-metil d-aspartat), una dintre functiile de baza a receptorilor pentru glutamat este de modulare a plasticitatii sinapsei, o proprietate a creierului vital pentru functia de invatare si memorare.O crestere sau o descrestere a numarului de receptori la o celula post-sinaptica poate conduce potentarea respectiv inactivarea celulei resptective pe termen lung.Modularea plasticitatii sinapsei se realizeaza prin reglarea sintezei proteice post-sinaptice prin intermediul sistemului de mesageri secundari.Receptorii pentru glutamat mai sunt impartiti in doua grupe in functie de mecanismul care sta la baza activarii lor si astfel dand nastere la impulsul post-sinaptic --receptorii ionotrop pentru glutamat ( iGLUR) acestia formeaza porul canalului ionic care este activat direct de legarea receptorului cu glutamatul---receptori metabotropi-acestia activeaza indirect canalele ionica din membrana prin intermediul unei secvente de reactii ce implica proteine G* (proteinele G proteinei cu specificitate de legare la guanina) Proteinele G reprezinta o familie implicate in transmiterea semnalelor chimice in exteriorul celulei si inducerea de modificari in interiorul celulei.Acestea sunt implicate in transductia semnalelor chimice provenite de la hormoni, neurotransmitatori dar si de la alti factori de semnalizare.Proteinele G functioneaza din acest punct de vedere asemnea unor intrrupatoare moleculare.Atunci cand leaga GTP ele sunt pe pozitia activ, iar cand leaga GDP atunci sunt pe pozitie inactiva.Proteinele G regleaza activitatea unor enzime implicate in metabolism , regleaza transportori, canale ionice si alte componente implicate in mecanismele celulare(controlul transcriptiei, contractilitate, secretie s.a.m.d.)3)Receptori P2X-dependent:Receptorii p2x sunt o familie mare permeabila pentru diversi cationi .Acestia se deschid ca raspuns la legarea de ATP extracelular.Acestia fac parte dintr-o familie a receptorilor numiti purinergici implicati ijn secretia de citochine ( termen generic pentru molecule semnal utilizate in comunicarea celulara) si probabil in apoptoza.4) RECEPTORI GABA:acestia reprezinta o clasa de receptori care raspund la neurotransmitatorul GABA care reprezinta un inhibitor principal in sistemul nervos central al vertebratelor.Exista doua grupe:GABAA:sunt receptori ionotropi ; GABAB:metabotropi.Acestia din urma sunt receptori cuplati de regula cu proteine G .CANALE IONICE -DEPENDENTE DE ALTI FACTORI:

Canale ionice dependente de lumina:acestea reprezinta un grup de proteine transmembranare care formeaza pori care se inchid sau se deschid ca raspuns la prezenta luminii.Canalele ionica dependente de lumina se comporta intr-o maniera similara cu celelalte canale ionice. In cazul specific al celor de lumina proteinele transmembranare sunt de regula cuplate cu o molecula care functioneaza ca si comutator fotosensibil.O astfel de proteine este retinalul si se gaseste la canalele de rodopsina.Aceasta proteina este capabila sa absoarba energia unui foton cu o anumita lungime de unda si astfel sa isi schimbe conformatia determinand indirect modificari conformationale ale proteinelor transmembranare ce se concretizeaza in deschiderea sau inchiderea porului.Canale nucleotid-ciclic dependente:aceste canale sunt activate de catre un ligand chimic care este in acest caz particular o nucleotida ciclica intracelulara (cAMP) acestea sunt permeabile in special ionilor de Na si K, foarte rar de Ca.Aceste canale au zone incarcate negativ sau pozitiv care raspund la modificari aparute la nivelul potentialului de membrana.Canalele nucleotid ciclic dependente joaca un rol important in diverse sisteme cum ar fi sistemul olfactiv sau sistemul vizual.In cadrul analizatorului vizual, canalele cGMP dependente sunt identificate la nivelul membranei externe a celulelor fotoreceptoare de la nivelul retinei ca raspuns la un nivel ridicat de cGMP canalele sunt deschise si permit cationilor sa patrunda in celula cauzand astfel o slaba depolarizare ( -40Mv-curent de intuneric).Daca in acest stadiu de intuneric un foton loveste receptorul in celule se reproduce o reactie in lant care are ca rezultat scaderea concetrati de cGMP cauzand astfel o hiperpolarizare. Astfel aceste celule sunt mai mult active decat inactive.Etapele prin care se genereaza informatia vizuala sunt urmatoarele:

1) Rodoposina sau iodopsina de pe partea exterioara a membranei absorb un foton schimband astfel conformatia cofactorului retinal .

2) Stadiul 1 de amplificare:fiecare astfel de modificare are ca rezultat o serie de intermediari instabili , ultimul legandu-se de o o proteina G din membrana care activeaza transducina (proteina din interiorul celulei). In acest stadiu fiecare rodopsina fotoactivata determina la randul ei activarea a cel putin 100 de transducei.Fiecare molecula de transducina activeaza ulterior o molecula de fosfodiesteraza. 3) Stadiul de 2 aplificare:o singura molecula de fosfodiesteraza este capabila sa hidrolizeze aproximativ o mie de molecule cGMP.INtrucat concentratia de cGMP scade canalele nucleotid ciclid dependente se inchid. Ca urmare acestui fapt Na nu mai poate patrunde in celula si fotoreceptorul se hiperpolarizeaza.Hiperpolarizarea incetineste mult eliberarea glutamatului ( neurotransmitatorul capabil sa depolarizeze celulele bipolare).Astfel reducerea glutamatului se va traduce in celule bipolare hiperpolarizate.Astfel un fotoreceptor elimina mult mai putin neurotransmitator cand e stimulat de lumina.Acest mecanims particular are doua avantaje:-in primul rand fotoreceptorii cu bastonase sau cu conuri sunt depolarizati la intuneric ceea ce inseamna ca multi ioni de Na patrund in celula in acest stadiu.Deschiderea sau inchiderea intamplatoare a canalelor de Na nu va afecta potentialul membranei.numai inchiderea unui numar extrem de mare de canale datorat absorbtiei unui foton va modifica potentialul si va semnaliza prezenta luminii.Prin urmare sistemul este imun la zgomot.In al doilea rand amplificarea foarte puternica in doua etape creeaza o sensibiliatate foarte mare prin faptul ca un singur foton afecteaza sau poate sa afecteze potentialul membranar si astfel sa fie perceput ca stimul luminos.