Curs 1 Membrana Celulara 2011

CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)

Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 1

Curs 1.FIZIOLOGIA MEMBRANEI CELULARECUPRINS

1.Organizarea morfo-funcţională a membranei celulare 1.1. Lipidele membranare. Rol structural şi funcţional

1.2. Proteinele membranare. Rol structural şi funcţional1.3. Structurile specializate ale membranei

2.Funcţia de transport a membranei celulare.Transportul pasiv 2.1. Difuziunea2.2. Osmoza2.3. Filtrarea2.4. Canalele ionice membranare



OBIECTIVELE CURSULUI 1– Studentul trebuie să:

Explice organizarea şi rolul matricei fosfolipidice în permeabilitatea selectivă a membraneiCunoască criteriile de clasificare şi funcţiile principale ale proteinelor membranareEnumere criteriile generale de clasificare a mecanismelor de transport membranarDefinească principalele caracteristici ale transportului pasivDescrie 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



STRUCTURA GENERALĂ A CELULEI

MEMBRANA CELULARĂ

CITOPLASMA

NUCLEUL



1.Organizarea morfo-funcţională a membranei celulareDEFINIŢIE: complex molecular lipidoproteic care delimitează celula de mediul extracelular (membrana celulară = PLASMALEMĂ)

STRUCTURĂ: modelul “mozaicului fluid lipido-proteic”

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

Modelul mozaicului fluid lipoproteic (Singer şi Nicolson (1972)



STRUCTURĂLIPIDE – fosfolipide, colesterol, glicolipidePROTEINE – periferice, integrale, glicoproteineSTRUCTURI SPECIALIZATE ALE MEMBRANEI – microvili, jonţiuni

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



1.1. LIPIDELE MEMBRANARE – rol structural şi funcţional (S1.slide 6-10)

FOSFOLIPIDELE - formează matricea fosfolipidică alcătuită din două straturi monomoleculare de fosfolipide. Fiecare strat prezintă:

- 1 extremitate hidrofilă spre porţiunea periferică a membranei

- 1 extremitate hidrofobă spre porţiunea mijlocie a membranei



COLESTEROLUL – 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” care stabileşte contacte cu

structuri ale mediului extracelular



FUNCŢIILE MATRICEI FOSFOLIPIDCE(a) ASIGURĂ PERMEABILITATEA SELECTIVĂ A MEMBRANEI

permeabilă pentru molecule liposolubile mici, nepolare gaze (O2

CO2), acizi graşi, glicerol, hormoni steroizi, uree, etanolimpermeabilă pentru molecule hidrofile mari- nepolare (ex: glucoză, aminoacizi) - polare (ex: ioni)parţial permeabilă pentru apă



(b) SURSĂ DE MESAGERI INTRACELULARIsub acţiunea fosfolipazei C (PLC) membranare

Sursa - inozitolfosfolipidele (PIP2) membranare

Mesageri intracelulariIP3 (inozitol-trifosfat)DAG (diacil-glicerol)

Roluri IP3 stimulează eliberarea Ca2+ din reticulul sarcoplasmatic (ER)DAG activează proteinkinaza C membranarăcare reglează contractilitatea muşchiului neted, metabolismul şi secreţia celulară (prin activarea unor enzime intracelulare)



(c) SURSĂ DE MESAGERI EXTRACELULARIsub acţiunea fosfolipazei A (PLA) membranare

Sursa - acidul arahidonic membranar

Mesageri calea ciclooxigenazei:

PROSTAGLANDINE (PG) TROMBOXAN A2

calea lipooxigenazei:LEUCOTRIENE (LT)

Roluri - efecte biologice multiplefiziologice - reglarea microcirculaţiei- coagularepatologice → inflamaţie



1.2. PROTEINELE MEMBRANARE – rol structural şi funcţional (S2.slide 11-13)

CARACTERISTICIreprezintă jumătate din masa membranei reprezintă elementul activ care determină proprietăţile şi funcţiile specifice ale membranei

CLASIFICARE – în funcţie de relaţia cu matricea fosfolipidicăproteine periferice (extrinseci)proteine integrale (intrinseci)



stabilesc CONTACTE cu citoscheletul celular → menţin forma celulei şi participă la mişcările celulare FIXEAZĂ celula pe fibre ale matricei extracelulare

(a) PROTEINELE PERIFERICEslab ancorate de matricea fosfolipidică prin forţe electrostatice au mobilitate mare în planul membranei, controlată metabolic

ROLURI - în principal de ENZIME MEMBRANARE

Externe → acetilcolinesteraza inactivează acetilcolina (Ach)Interne → adenilatciclaza generează AMPc (mesager intracelular)



(b) PROTEINELE INTEGRALE

străbat întreaga matrice de pe o faţă pe alta

structură asimetrică, puternic glicozilate extern

sunt puternic ancorate de matricea fosfolipidică

prin legături covalente

au o mobilitate mai redusă în planul membranei

ROLURI

CANALE (ioni şi apă)

TRANSPORTORI (“carrier”)RECEPTORI MEMBRANARI PROTEINE de ataşare intercelulară PROTEINE de recunoaştere intercelulară



1.3.STRUCTURILE SPECIALIZATE ALE MEMBRANEI

DEFINIŢIE: prelungiri ale citoplasmei acoperite de plasmalemă

temporare şi neordonate → pseudopodele emise de leucocite

permanente → microvilii şi joncţiunile intercelulare

(a) MICROVILII

extensii în “deget de mănuşă”

măresc suprafaţa de contact a

plasmalemei cu mediul extracelular,

la nivelul unei suprafeţe de schimb

Ex: epiteliul intestinal şi renal



(b) JONCŢIUNILE INTERCELULARE

structuri complexe care asigură CONTACTUL dintre două celule

sunt de 3 categorii: strânse, de ancorare şi largi

JONCŢIUNI STRÂNSE (“tight jonction”)impermeabileasigură o barieră mecanică şi chimică

Ex: epiteliul digestiv (GASTRIC)

barieră mecanică împotriva pătrunderii

microorganismelor în sânge

barieră chimică împotriva acidităţii (HCl) şi

enzimelor digestive proteolitice (pepsină)



JONCŢIUNI DE ANCORARE = DESMOZOMII

asigură CONTACTUL dintre celulele supuse unui stres mecanic

Ex: celulele epidermalefibrele musculare cardiace

JONCŢIUNI LARGI (“gap jonction”) = CONEXONII

permit transferul bidirecţional de molecule mici între 2 celule adiacente

sunt structuri excitabile (sinapse electrice) care permit pasajul ionic şi conducerea excitaţiei

Ex: fibrele musculare cardiace şi netedeunele sinapse din SNC



2. FUNCŢIA DE TRANSPORT A MEMBRANEI CELULARE

DEFINIŢIE: procesul de traversare a substanţelor prin membrana celulară

CLASIFICAREîn funcţie de dimensiunea substanţeisisteme de microtransfer (micromolecule) sisteme de macrotransfer (macromolecule) în funcţie natura forţelor care asigură transferul micromoleculelortransport pasivtransport activmacromoleculele traversează membrana prin transport vezicular (transport activ)



TRANSPORTUL PASIV (S3.slide 18-40)

CARACTERISTICIeste spontan are loc fără consum de energie (ATP)se desfăşoară sub acţiunea unor forţe fizice şi în sensul reducerii unor gradiente

de potenţial electrochimicde presiune osmoticăde presiune hidrostatică

MECANISME DE TRANSPORT PASIVDifuziunea Osmoza Filtrarea



2.1. DIFUZIUNEADEFINIŢIE: transportul substanţelor printr-o membranăpermeabilă pe baza gradientului electrochimic

GRADIENTUL CHIMIC asigură difuziunea substanţei dinsprepartea 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

extracelular

intracelular

K+ = 4 mEq/l

K+ = 140 mEq/l Gradient chimic

Gradient electricC2

C1



EXEMPLU: difuziunea K+ prin membrana neuronală în repaus

Concentraţia K+ intracelular=140 mEq/l, K+ extracelular = 4 mEq/l

pe baza gradientului chimic are loc difuziunea K+ dinspre interiorul

spre exteriorul celulei = eflux de K+

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



MECANISMELE DE TRANSPORT PASIV PRIN DIFUZIUNE

Difuziunea simplă

Difuziunea prin canale ionice

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

(b) Difuziunea simplă prin canaleCanale ionice (Na+, K+, Ca2+, Cl-)voltaj – dependente (variaţii de potenţial membranar) operate de ligand (activate de liganzi) operate mecanic (activate prin întindere)

Canale de apă (acvaporine)operate de ligand



(c) Difuziunea facilitată

asigură transportul pasiv al substanţelor organice nepolare ex: glucoza, AA

necesită o proteină “carrier” specifică

viteza de transfer este crescută

transportul este limitat de capacitatea transportului până la o valoare maximă (Tmax)

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

Difuziunea facilitată



RATA DIFUZIUNII

DEFINIŢIE: numărul de particule difuzate în unitatea de timp

RATA difuziunii simple depinde de:

permeabilitatea membranei

mărimea gradientului electrochimic

mărimea suprafeţei de schimb

RATA difuziunii facilitate depinde de:

mărimea gradientul electrochimic

capacitatea transportorului (valoarea Tmax)

Tmax



2.2. OSMOZA

DEFINIŢIE: difuziunea netă a APEI dintr-o soluţie osmotic activă, printr-o membrană semipermeabilă, pe baza gradientul de presiune osmotică (Posm)

Membrana semipermeabilăpermeabilă pentru solvent = APAimpermeabilă pentru solviţi = particule osmotic active

Soluţie osmotic activăsoluţie care conţine solviţi care atrag apa NaClGlucozăUreeProteine

Osmoza

H2O2d H2O2d



PARAMETRII

Concentraţia osmotică (Cosm) = numărul de particule osmotic active dizolvate în unitatea de volum

Presiunea osmotică (Posm) = forţa care se opune trecerii apei printr-o membrană semipermeabilă

Posm (atm) = Cosm x R x T

Cosm = Osmol/L, R = constanta gazelor (0,082)

T = temperatura soluţiei (°K)

H2O2d H2O2d



GRADIENTUL DE PRESIUNE OSMOTICĂdetermină sensul şi mărimea transferului de APĂ:

APA trece dinspre partea cu Posm mai mică (soluţie mai diluată) spre partea cu Posm mai mare (soluţie mai concentrată)

transferul de APĂ se opreşte atunci când Posm1 ≅ Posm2

soluţia cu Posm mai mare îşi măreşte volumul

soluţia cu Posm mai mică îşi micşorează volumul



2.3. FILTRAREADEFINIŢIE: reprezintă transportul apei şi a substanţelor micromoleculare prin membrane permeabile, pe baza gradientul de presiune hidrostatică (Ph)

Ph = presiunea exercitată de o coloană de lichid pe o suprafaţă, datorită greutăţii sale:

Ph = ρ x g x h ρ= densitatea lichiduluig = acceleraţia gravitaţionalăh = înălţimea coloanei de lichid

GRADIENTUL DE PRESIUNE HIDROSTATICĂ

asigură transferul dinspre partea cu Ph mai mare spre partea cu Ph mai mică



2.4.CANALELE IONICE MEMBRANARE

DEFINIŢIE: proteine integrale care asigură transportul pasiv al

ionilor în sensul gradientului electrochimic

CLASIFICARE

(a) În raport cu DINAMICA canalului

Canale de scurgere - asigură un flux continuu de

ioni (ex: canalul de scurgere Na+/K+)

Canale ionice controlate (cu porţi) - configuraţii

moleculare tranzitorii care au o dinamică de canal

deschis/închis (ex: canale de Na+, K+, Ca2+, Cl-)



(b) În raport cu SELECTIVITATEA canaluluiCanale selective - pentru 1 ion (ex: Na+,K+,Ca2+, Cl-)Canale parţial selective - pentru 2 ioni (ex: Ca2+ şi Na+, Na+ şi K+)Canale neselective - pentru 3 sau mai mulţi ioni (ex: canale pentru Na+, Ca2+, K+ şi Ba2+)

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

(c) În raport cu FACTORUL care condiţionează dinamica canaluluiCanale ionice voltaj – dependenteCanale ionice operate de ligandCanale ionice operate mecanic (întindere)

2.4.1.CANALELE IONICE VOLTAJ-DEPENDENTE

DINAMICA CANALULUI – determinată de modificările conformaţionale induse proteinei integrale prin variaţia de potenţialtransmembranar

TIPURI DE CANALECanale 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.Senzorul de voltaj





(a) CANALELE RAPIDE DE Na+

DISTRIBUŢIEmembrana neuronalămembrana fibrei musculare scheletice membrana fibrei musculare miocardice

PARTICULARITĂŢI STRUCTURALEsunt puternic încărcate electric negativ care asigură înlăturarea moleculelor de H20 (dehidratarea Na+) prezintă două porţi – de activare (m) şi de inactivare (h)

STĂRI FUNCŢIONALErepaus: poarta h deschisă, poarta m închisăactivare: ambele porţi deschise inactivare: poarta m deschisă, poarta h închisă



DINAMICA PORŢILOR

sub acţiunea unui stimul prag (atingerea potenţialului prag) canalul

de Na+ se activează şi asigură un 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 repaus membrană excitabilă



(b) CANALELE DE K+

DISTRIBUŢIE: membrana tuturor structurilor excitabile

PARTICULARITĂŢI STRUCTURALENU sunt încărcate electric negativau o singură poartă n - de activare

DINAMICA PORŢILOR – mai lentă, asociată cu repolarizarea membranei, prin eflux de K+ (faza descendentă a potenţialului de acţiune)



(c) CANALELE LENTE DE Ca2+

sunt în general canale parţial selective: Ca2+ > Na+

se activează în urma depolarizării membranei determină un influx de Ca2+ implicat în reglarea:

excitabilităţii celularecontracţiei musculare secreţiei celulare

TIPURI DE CANALEtip L (long lasting) fibra musculară cardiacă şi netedă

- rol în cuplarea excitaţie/contracţietip T (transient) celula pacemaker a miocardului

- rol în generarea spontană a excitaţieitip N (neuronal) membrana neuronală presinaptică

- rol în exocitoza veziculelor presinaptice



(d) CANALELE DE Cl-

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

rol de stabilizare a potenţialului de repaus



2.4.2. CANALELE IONICE OPERATE DE LIGAND

DINAMICA CANALULUI - modificările conformaţionale ale proteinei integrale sunt induse sub acţiunea unei substanţe biologic active care se numeşte LIGAND

Ligandul se fixează pe un situs specific de la nivelul porţilor

TIPURI DE CANALE

operate de liganzi extracelulari

operate de liganzi intracelulari

operate de receptori prin proteine G

canale intercelulare - conexoniiCanal închis Canal deschis



(a) Canalele ionice operate de LIGANZI EXTRACELULARI

CARACTERISTICĂ: canalul intră în structura unor receptori ai membranei postsinaptice, iar ligandul este un mediator chimic

Tip canal ionic Ligand Sinapse Efect Canale de Na+ ACh Excitatorii din SNC şi SNP

Placa motorie

influx de Na+

depolarizant influx de Na+ şi eflux de K+

Inhibitorii din SNC

Excitatorii din SNC

Canale de Cl- GABA Glicină

influx de Cl-hiperpolarizant

Canale cationice neselective Ca2+, Na+, K+

Glutamat influx cationic depolarizant

SNC = sistem nervos central ACh = acetilcolinăSNP = sistem nervos periferic GABA = acid gama amino butiric



(b) Canale ionice operate de LIGANZI INTRACELULARI

CARACTERISTICĂ: canalele sunt localizateîn membrana celulelor epiteliale (canale de Na+, K+, Cl-), iar ligandul este un mesager intracelular (AMPc, Ca2+)în membrana RS (canal de Ca2+), iar ligandul este IP3

Tip canal Ligand Localizare

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

Canale de K+ Ca2+ Membrana fibrei miocardice

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

Canale de Ca2+ IP3 Membrana reticulului sarcoplasmatic

Canale de apă AMPc Celule epiteliale (nefrocit, mucoasa intestinală, glande exocrine)



(c) Canale ionice operate de RECEPTORI prin proteinele G

CARACTERISTICĂ: sunt canale de Ca2+ sau K+ activate:

direct - prin subunitatea α a proteinei G

indirect - prin activarea de către proteina G a mesagerilor

intracelulari (Ca2+, AMPc, GMPc)



(d) Canale intercelulare - CONEXONII

CARACTERISTICI

se găsesc la nivelul joncţiunii permeabile dintre 2 celule formând“gap jonction”

reprezintă sinapse electrice în fibrele musculare cardiace şi netede

sunt permeabile pentru molecule cu diametru mic (apă, electroliţi, mesageri intracelulari, produşi de metabolism)

SUPRIMAREA CONDUCTANŢEI se realizează prin:

acidoză intracelulară (pH↓)

creşterea Ca2+ în una dintre celule

depolarizarea simultană a ambelor celule

Curs 1 Membrana Celulara 2011

Documents

Transcript of Curs 1 Membrana Celulara 2011