Elemente de Transport Prin Membrana Celulara

29
FENOMENE DE TRANSPORT PRIN MEMBRANA CELULARA Structura si functiile membranei celulare Organismele vii sunt alcatuite dintr-un numar foarte mare de compartimente fluide interdependente, marginite de membrane plasmatice. Membranele celulare sunt structuri planare cu grosimi moleculare cuprinse între 6 si 10 nm (1 nm = 10 -9 m) care îndeplinesc cel putin doua functii dinamice esentiale, ele neputând fi privite ca niste pelicule pasive care delimiteaza doua medii care au caracteristici fizico-chimice diferite (lichidul interstitial si citoplasma). Prima functie a membranei celulare este de a împiedica miscarea libera a particulelor între doua compartimente adiacente (lichidul interstitial si citoplasma), prin urmare membrana are rolul unei bariere fizice active. Lichidul interstitial si citoplasma sunt sisteme disperse având ca solvent apa, iar ca faze dispersate electroliti (ioni de Na, K, Cl, Ca, Mg), macromolecule (de ex. proteinele), organite intracelulare (de ex. mitocondriile) si molecule polare mici, în concentratii diferite. Lichidul interstitial si citoplasma au aceeasi osmolaritate de aproximativ 300 mOsM/l, fiind deci, lichide izotonice. Fiind semipermeabile si selective, membranele celulare îndeplinesc si o a doua functie foarte importanta si anume reglarea volumului si a compozitiei mediului intracelular. Aceasta reglare asigura mentinerea la valori constante a compozitiei si volumului intra- si extracelular, în ciuda fluctuatiilor din mediul extern. Structura membranei celulare a fost studiata prin microscopie electronica, difractie de raze X si recent, vizualizata cu ajutorul microscopiei de forta atomica.  Fig. 1 Structura membranei celulare conform modelului mozaicului fluid proteolipidic Principalii constituenti ai membranelor biologice sunt lipidele si proteinele, conform modelului mozaicului fluid proteolipidic (Fig. 1) al lui Nicholson si Singer elaborat în 1972: membrana este formata dintr-un bistrat lipidic, în care sunt inserate proteine si glicoproteine. Acest model presupune distributia uniforma a diferitelor tipuri de lipide în bistrat, lucru care a fost infirmat în ultimii ani. Simon si Ikonen au demonstrat în 1987 existenta asa numitelor microdomenii lipidice (³lipid rafts´) de colesterol si sfingomielina care nu sunt solubile în detergenti nonionici, adica  prezenta unor insule membranare, lipidele nedistribuindu-se uniform pentru a forma bistratul lipidic.

Transcript of Elemente de Transport Prin Membrana Celulara

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 1/29

 

FENOMENE DE TRANSPORT PRIN MEMBRANA

CELULARA 

Structura si functiile membranei celulare

Organismele vii sunt alcatuite dintr-un numar foarte mare de compartimente fluide interdependente,marginite de membrane plasmatice. Membranele celulare sunt structuri planare cu grosimimoleculare cuprinse între 6 si 10 nm (1 nm = 10-9 m) care îndeplinesc cel putin doua functii dinamiceesentiale, ele neputând fi privite ca niste pelicule pasive care delimiteaza doua medii care aucaracteristici fizico-chimice diferite (lichidul interstitial si citoplasma).

Prima functie a membranei celulare este de a împiedica miscarea libera a particulelor întredoua compartimente adiacente (lichidul interstitial si citoplasma), prin urmare membrana are rolulunei bariere fizice active. Lichidul interstitial si citoplasma sunt sisteme disperse având ca solventapa, iar ca faze dispersate electroliti (ioni de Na, K, Cl, Ca, Mg), macromolecule (de ex. proteinele),organite intracelulare (de ex. mitocondriile) si molecule polare mici, în concentratii diferite. Lichidul

interstitial si citoplasma au aceeasi osmolaritate de aproximativ 300 mOsM/l, fiind deci, lichideizotonice.

Fiind semipermeabile si selective, membranele celulare îndeplinesc si o a doua functiefoarte importanta si anume reglarea volumului si a compozitiei mediului intracelular. Aceasta reglareasigura mentinerea la valori constante a compozitiei si volumului intra- si extracelular, în ciudafluctuatiilor din mediul extern.

Structura membranei celulare a fost studiata prin microscopie electronica, difractie de raze Xsi recent, vizualizata cu ajutorul microscopiei de forta atomica.

 Fig. 1 Structura membranei celulare conform modelului mozaicului fluid proteolipidic

Principalii constituenti ai membranelor biologice sunt lipidele si proteinele, conformmodelului mozaicului fluid proteolipidic (Fig. 1) al lui Nicholson si Singer elaborat în 1972:membrana este formata dintr-un bistrat lipidic, în care sunt inserate proteine si glicoproteine. Acestmodel presupune distributia uniforma a diferitelor tipuri de lipide în bistrat, lucru care a fost infirmatîn ultimii ani. Simon si Ikonen au demonstrat în 1987 existenta asa numitelor microdomenii lipidice(³lipid rafts´) de colesterol si sfingomielina care nu sunt solubile în detergenti nonionici, adica prezenta unor insule membranare, lipidele nedistribuindu-se uniform pentru a forma bistratul lipidic.

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 2/29

 

Lipidele

Sunt molecule insolubile în apa si usor solubile în solventi organici, constituind aproximativ50% din masa membranelor celulelor animale, având o densitate de aproximativ 5 x 106 lipide / 1um2 arie de membrana. Lipidele formeaza matricea pentru fixarea proteinelor, dar îndeplinesc si altefunctii.

Lipidele sunt fie amfifile, adica prezinta capat polar (extremitate polara care interactioneaza puternic cu apa) si una sau mai multe catene alifatice puternic hidrofobe (formate din doua lanturi dehidrocarburi numite si cozi hidrofobe) (Fig. 2).

 Fig. 2 Moleculele lipidice sunt amfifile

Aceasta conformatie influenteaza împachetarea si miscarea respectivei molecule lipidice în planul lateral al membranei. Capetele polare ale moleculelor amfifile au radicali fosfat si sunt fieionice fie neutre, acestea din urma au o distributie asimetrica a sarcinii electrice determinândorientarea în câmpul electric sau magnetic.

Cele mai importante clase de lipide întâlnite în constituirea bistratul lipidic sunt: fosfolipidele, glicolipidele si colesterolul .

Fosfolipidele sunt derivati ai glicerolului (acool simplu) sau ai sfingosinei (alcool complex)

(Fig. 3). Exista fosfolipide care contin colina: fosfatidilcolina, sfingomielina sau care nu contincolina: fosfaditiletanolamina, fosfatidilserina, fosfatidilinositol etc. Una dintre cele doua cozihidrofobe ale fosfolipidelor se prezinta sub forma unui lant drept de acizi grasi saturati, iar cealalta prezinta o mica bucla datorita unei legaturi duble cis nesaturate.

Fosfolipidele sunt asimetric distribuite în bistrat, astfel, pe partea interstitiala a membranei seafla fosfaditilcolina si sfingomielina, iar pe partea citoplasmatica a membranei se aflafosfaditiletanolamina si fosfaditilserina care are si sarcina electrica negativa.

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 3/29

 

Glicolipidele contin la capatul polar molecule de zahar (glucoza sau galactoza), ele fiindîntâlnite exclusiv pe suprafata extracelulara a membranelor lipidice.

Colesterolul se orienteaza în biomembrane cu gruparile hidroxil din structura inelara steroidaîn vecinatatea capetelor polare ale fosfolipidelor interactionând si imobilizând partial gruparilehidrocarbonate din cozile fosfolipidelor, având ca efect scaderea fluiditatii biomembranelor.

Interactia fosfolipide ± apa

Capetele polare ce contin gruparea fosfat interactioneaza cu moleculele polare de apa.Deoarece cozile moleculelor amfifile sunt hidrofobe, interactiunea cu moleculele de apa este maislaba decât interactiunea dintre moleculele de apa, din acest motiv, la contactul cu apa, cozilehidrofobe sunt eliminate din contactul cu aceasta.

În functie de concentratia fosfolipidelor în apa, se pot realiza trei tipuri de structuri (Fig. 4):

- monostrat lipidic pentru concentratii mici de fosfolipide; prin împrastierea unei solutii de lipide pe

o faza apoasa se formeaza spontan un monostrat la interfata aer/apa unde capetele polare ale lipidelor sunt orientate catre apa, iar cozile hidrofobe catre aer; astfel, lipidele sunt surfactanti (au proprietateade a scadea coeficientul de tensiune superficiala al apei) 

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 4/29

 

 

 Fig. 3 Clasificarea lipidelor membranare în functie de structura lor (Structure-based classification

of membrane lipids Expert Reviews in Molecular Medicine © 2002 Cambridge University Press)

- micele, când continutul de lipide al amestecului este mult mai mare catenele alifatice se vor orientacatre interior, iar capetele polare vin în contact cu faza apoasa

- bistraturi, la concentratie foarte mare de fosfolipid, capetele polare vin în contact cu faza apoasa,

iar catenele alifatice sunt împachetate paralel una cu alta; miezul lipidic fiind hidrofob este exclus dinfaza apoasa, iar bistraturile lipidice se închid spontan formând vezicule stabile. 

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 5/29

 

 Fig. 4 Organizarea spontana în apa a moleculelor lipidice 

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 6/29

 

 

 Fig. 5 La temperatura la care se desfasoara procesele biologice, bistratul lipidic se comporta ca o structura dinamica

Bistratul lipidic este o structura dinamica, prezentând fluiditate: moleculele lipidice prezintamiscari de translatie în stratul în care se afla (difuzie laterala), rotatie în jurul axei proprii, rotatiedescriind o suprafata conica, flexie, basculare dintr-un strat lipidic în celalalt (Fig. 5).

 Experimentul Gorter ± Grendel 

În 1925, Gorter si Grendel (initiatorii modelului de bistrat al membranei plasmatice) au emisipoteza ca daca membrana plasmatica este bistrat, atunci, suprafata ei trebuie sa fie jumatate din ceaocupata de totalitatea lipidelor sale într-un monostrat. Pentru a testa aceasta ipoteza ei au masuratsuprafata eritrocitelor recoltate de la diferite mamifere la microscop, apoi au extras lipidele din

membrana eritrocitelor, au împrastiat lipidele la supratata aer/solutie salina si au masurat ariamonostratului obtinut. Prin compararea celor doua tipuri de masuratori s-a obtinut raportul deaproximativ 2:1   pentru diferitele celule rosii, confirmând astfel modelul de bistrat al membranei plasmatice.

Proteinele membranare

Proteinele sunt macromolecule care constituie elemente esentiale pentru toate procesele biologice. Concentratia proteinelor membranare variaza între 20% (mielina, de exemplu) si 75% (înmembrana mitocondriilor) sau chiar 80% (în membrana microorganismului Halobacterium halobium,continând bacteriorodospina care este un pigment fotosensibil).

Proteinele reprezinta elementul activ al membranei, fiind structuri organizate de baza îndesfasurarea urmatoarelor procese biologice:

- fenomene de transport  (canalele si transportorii care contribuie la transportul ionilor si almoleculelor mici sunt proteinele specifice)

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 7/29

 

- cataliza enzimatica (enzimele, în majoritatea cazurilor, sunt structuri proteice, care maresc vitezelede reactie ale proceselor desfasurate in vivo de ordinul milioanelor)

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 8/29

 

- miscarea coordonata (de exemplu, actina si miozina sunt structuri proteice specifice responsabile pentru existenta miscarii coordonate)

- suport mecanic (colagenul este o proteina esentiala în structura pielii, a tesuturilor osoase si a

tendoanelor)- imunoprotectie (anticorpii sunt de asemenea proteine extrem de specializate cu rol în recunoastereaorganismelor straine)

Varietatea lor este mult mai mare decât a lipidelor fiind determinata de diversitatea functiilor lor.

În functie de modul în care se insereaza în membrana, proteinele (Fig. 6) sunt:a) proteine intrinseci (integrale) care au urmatoarele caracteristici:

- traverseaza membrana celulara o data (glicoforina) sau de mai multe ori (exemplu: proteinele

transportoare, pompe ionice constituite din mai multe alfa ±helixuri) 

 Fig.6 Tipuri de proteine membranare

- pot fi extrase prin tratare cu detergenti

- sunt implicate în procesele de transport b) proteine extrinseci (periferice)

- patrund în membrana pe o anumita distanta, pe una din cele doua fete, sau sunt atasate la suprafatamembranei (receptorii membranari, proteine cu rol imunologic etc.)

- pot fi îndepartate prin spalare ori prin tratare cu solutii cu tarie ionica scazuta

- sunt implicate în transmiterea informatiei în interiorul celulei

Fluiditatea membranelor plasmatice

La temperatura la care se desfasoara procesele biologice, membrana are proprietati fizice ce oapropie mai mult de starea de agregare fluida, asadar, dispunând de o mare libertate, atât lipidele câtsi proteinele membranare pot executa diferite miscari.

Aceste miscari sunt datorate agitatiei termice proprii, precum si ciocnirilor cu moleculele cucare vin în contact, ceea ce permite realizarea reactiilor enzimatice. Proteinele pot executa miscari de

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 9/29

 

translatie laterala prin bistrat, precum si de rotatie în jurul unei axe perpendiculare pe bistratul lipidic.Spre deosebire de lipide care se pot misca liber în bistrat, miscarea proteinelor este mai restrictiva,fiind conditionata de interactiunea cu alte proteine. În orice moment o fractiune însemnata a lipidelor membranare este adiacenta proteinelor, dar exista un permanent schimb între lipidele limitrofe si celedin restul stratului lipidic. Diversele tipuri de lipide au afinitate diferita fata de proteine, asadar vor exista diferente între compozitia generala a bistratului si a paturii adiacente a proteinelor.

Fluiditatea membranara depinde de compozitia acesteia. Când membranele plasmatice suntalcatuite din fosfolipide nesaturate sunt mult mai permeabile pentru substantele liposolubile. Acestlucru poate fi explicat prin existenta legaturilor duble ale catenelor alifatice din fosfolipidelenesaturate, legaturi duble care împiedica rotirea catenelor conducând la imposibilitatea împachetariistrânse a acestor catene. Prin urmare, interactia dintre catene este mai slaba si fluiditatea membraneicreste. Se poate astfel explica de ce substantele lipidice difuzeaza mai repede prin membrane maifluide.

Fluiditatea membranelor biologice depinde si de cantitatea de colesterol din membrana.Structural, colesterolul este situat alaturi de capetele polare determinând extinderea catenelor alifatice

în aceasta zona (Fig. 7).

 Fig.7 Colesterolul în bistraturile lipidice

Rigiditatea inelului colesterolului limiteaza miscarea naturala a catenelor alifatice învecinate, partea dinspre exterior a moleculei lipidice devenind mai putin flexibila, cresterea concentratiei decolesterol din membrana determinând scaderea fluiditatii membranare. Acest efect al colesteroluluiare un anumit rol si în natura. De exemplu, unele antibiotice formatoare de canal (Nystatinul, deexemplu) opereaza numai în membrane ce contin colesterol, probabil ca rigiditatea membranara

indusa de colesterol determina o stabilitatea mai mare a porilor. Pe de alta parte, colesteroluldescreste permeabilitatea biomembranelor pentru moleculele biosolubile mici, conducând lacresterea stabilitatii mecanice a bistratului lipidic. S-a constatat ca membrana celulelor carora le-afost suprimata genetic capacitatea de a sintetiza colesterol sunt foarte fragile din punct de vederemecanic, prezenta colesterolului fiind absolut necesara supravietuirii celulor respective.

Functiile membranei celulare

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 10/29

 

În primul rând, membrana asigura mentinerea caracteristicilor fizico-chimice diferite ale celor doua compartimente pe care le separa. Membrana reprezinta o zona de comunicare controlata întrecele doua compartimente, în ambele sensuri prin:

1. Transport de substanta  prin membrana intacta (molecule, ioni si apa) sau prin ruperea

membranei urmata de refacerea acesteia datorita plasticitatii ei exceptionale.

2. Traducere si transfer de informatie adusa de diferiti stimuli (mecanici, electrici,electromagnetici, chimici, termici etc.) prin receptorii specifici pe care membrana îi contine.

3. Implicare în functiile celulare datorita enzimelor si complexelor enzimatice pe care le contine:replicarea ADN, biosinteza proteinelor, bioenergetica celulara, raspuns hormonal.

Transportul de substanta  prin membrana se face prin macrotransport daca substantatransportata este în stare solida sau lichida (formele de macrotransport fiind fagocitoza si pinocitoza)si prin microtransport care poate fi pasiv sau activ.

Macrotransportul

În procesul de fagocitoza celula înglobeaza particule de substanta solida, învaluindu-leanterior cu niste prelungiri citoplasmatice numite pseudopode, prelungiri care fuzioneaza apoi înspatele acestor particule.

La protozoare (la amoebe de exemplu) fagocitoza este procesul prin care celula se hraneste.La celulele mai dezvoltate, acest mecanism serveste altor scopuri si anume: macrofagele sileucocitele înghit fragmente celulare si intrusi.

Prin pinocitoza, lichidele, dispersate în picaturi fine, si macromoleculele sunt introduse în

celula sau scoase din aceasta, dupa ce în prealabil au fost învelite într-un bistrat lipidic devenindvezicule. Veziculele fuzioneaza cu membrane celulara si pot fi transportate dintr-o parte într-alta amembranei. Expulzarea continutului lichid al veziculei are loc ca efect al fortelor de tensiunesuperficiala

Formele pinocitozei sunt:

- endocitoza (patrunderea in interiorul celulei a veziculei, urmata de expulzarea continutuluiacesteia).

- transcitoza (vezicula traverseaza celula, fara a se sparge, Fig. are loc cu precadere în celulele

endoteliului capilar, facilitând trecerea proteinelor plasmatice din sânge catre spatiul extravascular.

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 11/29

 

 

 Fig. 8 Transcitoza

- exocitoza (expulzarea de catre celula a unei vezicule care, de exemplu, contine substante pe carecelula este incapabila de a le utiliza). Fenomenele de exocitoza sunt frecvente în terminatiilenervoase si în celulele secretorii.

Microtransportul

Transportul pasiv

Prin transport pasiv moleculele si ionii se deplaseaza în sensul gradientului electrochimic saude presiune fara consum de energie metabolica, sistemul având tendinta de a ajunge la echilibrutermodinamic.Gradientul electrochimic este o forta termodinamica producatoare de flux si reprezintarezultatul unor procese desfasurate cu consum energetic. În timpul transportului, moleculele si ioniiutilizeaza energia miscarilor de agitatie termica si cea derivata din atractia sau respingereaelectrostatica.

Un anumit tip de molecule aflate într-o solutie înmagazineaza o energie chimica sub forma de potential chimic care se poate exprima prin relatia

u=u0 +RTln(c0 /c) 

unde u0 reprezinta potentialul standard (potentialul chimic al unui solvit aflat într-o concentratie egalacu unitatea, la 25oC), R este constanta universala a gazelor, iar T este temperatura termodinamica.

În cazul în care solvitul este un electrolit disociat, pe langa energia chimica a ionilor sai exista sienergia electrica a acestora exprimata prin relatia

vzFE

unde ? este numarul de echivalent-gram de ioni de un anumit tip, z este valenta ionilor, F estenumarul lui Faraday (96400 C/eq), V este potentialul electric al solutiei.

Prin urmare, potentialul electrochimic al unei specii de ion în solutie va fi dat de suma celor douaenergii prin expresia:

W = v (u+ zFV)

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 12/29

 

Considerand ca de o parte si de alta a membranei celulare avem o anumita specie ionica înconcentratii c1 = cin, c2 = cex, cu potentialele electrice ale solutiilor V1 = Vin, V2 = Vex obtinem: 

 DW=Win-Wex 

Deosebim doua cazuri:-  DW > 0 ± ionii tind sa paraseasca celula si se întâmpla acest fenomen daca celula este permeabila pentru acei ioni.

-  DW < 0 ± ionii tind sa patrunda în celula, daca membrana este permeabila pentru acestia.

Transportul pasiv al unei specii ionice înceteaza la echilibru, adica în momentul în care potentialele electrochimice ale ionului în celula si în afara ei devin egale, adica pentru  DW = 0:

E=Vin-Vex

ecuatia Nernst

Folosind relatia lui Nernst se poate calcula diferenta de potential electric de o parte si de altaa membranei a unei specii ionice în conditiile în care se cunosc concentratiile ionului, la echilibru.

Exista trei tipuri de transport pasiv: difuzia simpla, difuzia facilitata si difuzia prin canale si pori.

Difuzia simpla se produce prin dizolvarea speciei moleculare transportate în membrana.Datorita structurii membranei de bistrat lipidic, zona interna fiind hidrofoba, o particula, pentru atrece de pe o fata a membranei pe cealalta, trebuie sa strabata o zona hidrofila si sa patrunda în zonahidrofoba. De aici rezulta ca mecanismele de difuzie sunt diferite pentru particulele hidrofile (ioni simolecule polare) si particulele hidrofobe (nepolare), respective particulele hidrosolubile siliposolubile.

Solubilitatea unei substante este diferita în mediul apos si în membrana, prin urmare, difuziasimpla depinde de coeficientul de permeabilitate al membranei (P ± vezi cursul de sisteme disperse)dar si de caracteristicile particulei, adica de coeficientul de partitie (beta).

Sa vedem care sunt particulele care pot traversa membrana prin difuzie simpla. Un ion înmediu apos formeaza un sistem stabil cu acesta datorita interactiunii cu moleculele polare de apa, side aceea pentru a-l transporta în mediul dielectric al bistratului lipidic este nevoie de un lucru

mecanic. Prin urmare, simpla difuzie a ionilor prin bistrat este improbabila, trecerea ionilor prinmembrana facându-se prin mecanisme specializate care înlatura bariera energetica.

Macroionii nu pot difuza prin membrana celulara datorita atât sarcinii electrice cât sidimensiunii lor mari, acest lucru având o importanta deosebita în stabilirea diferentei de potentialdintre fetele membranei.

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 13/29

 

Moleculele hidrofobe pot traversa membrana, permeabilitatea membranei pentru acestea fiindcu atât mai mare cu cât dimensiunea particulei este mai mica, deoarece bistratul lipidic are o structuradestul de compacta.

În concluzie, numai moleculele mici nepolare, moleculele hidrofobe si gazele pot traversamembrana prin difuzie simpla.

Difuzia facilitata

Moleculele hidrofile mari, cum sunt multi factori nutritivi necesari celulei, precum si uniiioni traverseaza membrana prin difuzie facilitata, utilizând molecule transportoare existente înmembrana sau introduse artificial în aceasta. Asemenea molecule transportoare au o anumitaspecificitate, recunoscând specia moleculara sau ionica pe care o transporta. Exista transportori pentru glucoza, colina, pentru diferiti ioni (ionofori). 

 Fig. 9 Exemplu de difuzie facilitata: difuzia facilitata a gucozei (dupa Baldwin & Lienhard,Trends Biochem. Sci. 6:210, 1981)

Transportorii sunt proteine atât de specializate încât pot deosebi speciile levogire de celedextrogire. Fiind vorba despre o forma de transport pasiv, sensul de actiune al transportorilor îndifuzia facilitata este sensul gradientului electrochimic.

Molecula transportoare, cu rol enzimatic, se poate gasi în doua stari conformationale. În Fig.9 este figurat transportul facilitat al moleculei de glucoza. Se poate observa cum molecula deglucoza, numita substrat în aecasta situatie, se leaga pe una din fetele membranei într-un anumit locde legare numit situs. Se produce în urma legarii o modificare conformationala si situsul de legareeste expus partii opuse, simultan cu scaderea afinitatii transportorului pentru glucoza si eliberareaacestei molecule de partea cealalta a membranei. Prin eliberare se revine la conformatia initiala siciclul se repeta.

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 14/29

 

Difuzia prin canale ionice

Substantele ionizate nefiind liposolubile, difuzia lor prin membrana se poate face prinstructuri proteice specializate care strabat membrana pe toata grosimea ei si creeaza cai de trecere pentru ioni, formând canale sau pori. Notiunea de por este folosita pentru structurile neselective,facând o discriminare doar pe baza diametrului particulei. Cu precadere, prin pori trece apa, caz încare acestia se numesc  porine. Ionii au în jurul lor o zona de hidratare, din care cauza au diametrul prea mare pentru pori.

Canalele ionice sunt proteine specializate care strabat membrana lipidica celulara, permitând astfeltrecerea substantelor neliposolubile. Prin canale ionii pot sa treaca în ambele sensuri, dar transportulare loc în sensul gradientului electrochimic. Spre deosebire de pori, canalele ionice sunt structuriselective. Eficacitatea transportului prin canale este foarte mare, printr-un singur canal putând trece106-108 ioni/s.

În Fig. 10 este reprezentata schematic structura unui canal ionic. Filtrul recunoaste un anumit tip deion si îl lasa sa treaca în vestibulul. Senzorul primeste informatia din exterior, fie din partea unei

molecule receptoare, fie direct de la un semnal electric (acesta este cazul canalului din Fig. 10), si,daca informatia este corespunzatoare, comanda deschiderea portii permitând ionului sa intre sau saiasa din celula, împins de potentialul sau electro-chimic.

Canalul poate fi închis sau deschis printr-o modificare conformationala a proteinei canalcomandata printr-un mecanism specific electric, chimic sau prin alte mecanisme.

Fiecare tip de canal poate fi blocat specific de anumite toxine: tetrodotoxina inhibafunctionarea canalului de Na+ din membrana axonala, tetraetilamoniul blocheaza canalul de K +).Blocantii specifici permit studierea proprietatilor canalelor sau identificarea proteinelor canal.

Canalul ionic este caracterizat de un parametru electric numit conductanta G, care reprezintainversul rezistentei electrice R. Unitatea de masura a conductantei este Siemens-ul (S). Din punct devedere biologic, conductanta canalului reprezinta echivalentul electric al permeabilitatii acesteia pentru un anumit tip de ion. Se poate aprecia conductanta unei portiuni de membrana ca fiind data de  produsul dintre conductanta unui canal izolat si densitatea canalelor deschise, deoarece conductantacanalului deschis este constanta. Ordinul de marime al conductantei unui canal ionic este pS (1 picoSiemens = 10-12 S). 

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 15/29

 

 Fig. 10 Reprezentarea schematica a canalului membranar 

Exista substante care formeaza în jurul ionului o structura hidrofoba, permitându-i acestuia difuzia prin bistrat. O astfel de substanta care, inclusa în membrana celulara, permite translocarea ionilor de pe o fata pe cealalta se numeste ionofor. Ionoforii pot forma canale prin membrana sau pot actionaca niste molecule transportoare. De exemplu, valinomicina (Fig. 11) este un ionofor care poateîncorpora ionii de K +, fortându-i sa paraseasca prin membrana celula bacteriana, provocând moarteaacesteia, actionând astfel ca un antibiotic. 

 Fig. 11 Valinomicina este un ionofor care face ca ionii de K + sa iasa din celula bacteriana,

 provocându-i moartea

Din studiul comparativ al transportului pasiv prin difuzie facilitata si al transportului prin canalerezulta urmatoarele:

- moleculele transportoare au o specificitate mai mare pentru moleculele sau ionii transportati decâtcanalele, moleculele transportoare putând distinge între diferitii izomeri ai unei molecule

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 16/29

 

- moleculele transportoare au o viteza mult mai mica de lucru decât a canalelor ionice, permitândtrecerea doar a 1000 de ioni pe secunda, acest lucru fiind compensat de numarul lor foarte mare

- transportorii pot participa si la transportul activ

- canalele au o foarte mare viteza de lucru, pâna la 10 milioane de ioni pe secunda motiv pentru carecanalele sunt caile preferate pentru transportul ionilor atunci când sunt necesare variatii bruste alecompozitiei si concentratiei ionice (în excitatia celulara, de exemplu). 

 Fig. 12 Comportamentul diferitelor tipuri de molecule în apropierea membranei lipidice

În concluzie, membrana celulara poate fi traversata prin transport pasiv de moleculele micihidrofobe prin difuzie simpla, de ioni prin canale si difuzie facilitata si de moleculele hidrofile mari prin difuzie facilitata (Fig. 12).

 Fig. 13  Difuzia apei printr-un por 

Transportul apei care intervine esential în toate procesele biologice se realizeaza atât prindifuzie simpla si osmoza cât si prin canale (pori aposi (Fig. 13)), permeabilitatea membranei pentru

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 17/29

 

apa fiind foarte mare. Mecanismele de transport al apei sunt foarte complexe si incomplet elucidate,un rol foarte important avându-l diferenta de presiune osmotica.

Transportul activ

Este o forma de transport care necesita consum de energie metabolica (a unei reactii chimice,de exemplu). Se realizeaza în sensul invers gradientului de potential electrochimic. Se disting douaforme de transport activ: transportul activ primar si transportul activ secundar .

Transportul activ primar se realizeaza folosind proteine integrale numite pompe ionicemembranare. In urma transportului activ se stabileste gradientul de concentratie în sensul caruia sedesfasoara transportul pasiv. Pompa leaga ionul pe o parte a membranei într-o anumita zona activanumita situs de legare si, datorita unor modificari conformationale care intervin în urma legariiionului, îl transfera pe cealalta parte unde îl elibereaza. Pompa foloseste, de obicei, hidroliza ATP înADP si P.

Exemplul cel mai cunoscut este ATP-aza Na+/K + care transloca 3 ioni de Na + din interiorul

celulei, unde concentratia acestuia este mica, spre mediul extracelular si 2 ioni de K + din exteriorulcelulei în interiorul acesteia (Fig. 14).

 Fig. 14 Pompa Na/K 

Deoarece rezultatul unui ciclu este un transfer net de sarcina pozitiva în exteriorul celulei, spunem ca pompa este electrogenica. De asemenea, pompa de Na+/K + asigura prin functionarea ei osmolaritateaegala pe ambele fete ale membranei.

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 18/29

 

 

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 19/29

 

 Fig.15 Schema Albert ± Post a etapelor functionarii ATP-azei Na+ /K +

În Fig. 15 este reprezentata succesiunea etapelor ATP-azei de Na+/K+. Aceasta este schemaAlbert ± Post si are urmatoarele etape:

1. enzima ia Na+   pe partea citoplasmatica si leaga ATP ± aceatsa legare este posibila numai în prezenta ionilor Mg++

2. ATP este hidrolizat, complexul fosforilat sufera o tranzitie conformationala, urmata de scadereaafinitatii pentru Na+ si cresterea afinitatii pentru K + 

3. ionii de Na+ se desprind si se leaga ionii de K +

4. legarea ionilor de K+ determina defosforilarea

5. în urma defosforilarii, proteina pierde afinitatea pentru K +, acestia desprinzându-se

6. enzima revine la conformatia initiala si ciclul se reia.

Exista si alte pompe în membrana celulara, cum ar fi:

- pompa de H+, K + din mucoasa gastrica (din membrana plasmatica a celulelor parietale) (Fig. 16), toto ATP-aza a carei structura este asemanatoare cu cea a Na-K-ATP-azei. 

 Fig. 16 ATP-aza H+/K+ din mucoasa gastrica

Aceasta pompa se gaseste în veziculele intracelulare. În urma unui semnal hormonal, veziculelefuzioneaza cu membrana, în care se insereaza pompele. Se pot obtine diferente de pH de 6,6,corespunzatoare unui raport de concentratie a protonilor de 4.106.

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 20/29

 

- pompa de Ca++ din reticulul sarcoplasmic si din membrana plasmatica

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 21/29

 

 

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 22/29

 

 Fig. 17 Mecanismul prin care se mentine un pH scazut în lumenul stomacal 

- pompa protonica bacteriorodopsina (Fig. 18) care, sub actiunea luminii, pompeaza protoni dininteriorul în exteriorul celulei.

 Fig. 18 Bacteriorodopsina pompeaza protoni împotriva gradientului lor electrochimic, sub actiunealuminii

Transportul activ secundar

Prin transport activ secundar speciile transportate patrund într-un compartiment (extracelular sau intracelular) împotriva gradientului lor electrochimic, asociindu-se cu molecule care sedeplaseaza în sensul gradientului de concentratie. Specia transportata cât si molecula care efectueazatransport pasiv se leaga de aceeasi molecula transportoare.

Transportul activ secundar utilizeaza transportorii întâlniti la difuzia facilitata, acestia putândlega substratele transportate în aceeasi stare conformationala sau în stari conformationale diferite(Fig. 19). Daca ambele specii moleculare transportate se leaga de aceeasi parte a proteinei,transportul poarta denumirea de simport sau co-transport , iar transportorul îsi poate modifica stareaconformationala doar dupa ce ambele substrate au ajuns în situsurile de legare. Cazul în care speciiletransportate se leaga pe cele doua parti ale transportorului, care se va afla astfel în stariconformationale diferite, se numeste antiport sau contra-transport .

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 23/29

 

 

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 24/29

 

 Fig. 19 Comparatie între formele de transport activ: primar si secundar 

Întâlnim simport la patrunderea glucozei în celulele mucoasei intestinale; ea se asociaza cu Na+ care intra pasiv. Ionii de Na+ sunt eliminati activ prin transport primar, prin ATP-aza de Na+/K +,

iar glucoza ramâne.Si în acest caz, avem de-a face cu un transport electrogenic deoarece rezultatul net consta în

transportul unei sarcini pozitive dintr-o parte a membranei în cealalta. 

 Fig. 20 Simportul glucoza ± Na

+

din celulele mucoasei intestinale

Un exemplu de antiport este cel de 3Na+/Ca2+, de la nivelul muschiului cardiac, care asigurao concentratie scazuta a ionilor de calciu în interiorul celulei.

Energia pe care o foloseste antiportul este furnizata de transportul activ al ionilor de sodiu dinmediul extracelular catre interiorul celulei. 

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 25/29

 

 

 Fig. 21 Antiportul de 3Na+ /Ca2+ mentine scazuta concentratia ionilor de calciu în interiorul celulelor 

Transportul este electrogenic, deoarece avem sarcina neta (+1) translocata prin membranacelulara.

Traducerea si transferul de informatie prin membrana celulara

Pentru a mentine parametrii termodinamici în limite fiziologice si pentru a departa sistemele biologice de starile de echilibru termodinamic este nevoie ca între diferitele compartimente ale unuiorganism viu sa existe transfer de informatie.

Receptorii membranari din membrana plasmatica celulara sunt proteine intrinseci cu functieenzimatica care au capacitatea de a recunoaste o molecula semnal din mediul extracelular, numitamesager prim, si de a interactiona cu ea rapid si reversibil. Molecula purtatoare de informatie senumeste ligand specific si se poate lega de un anumit tip de receptor. În mod obisnuit, moleculelesemnal nu patrund în interiorul celulei, rolul lor fiind doar de a transmite prin diferite mecanismemembranare informatia pe care o poarta.

 Mesagerii primi  pot fi molecule dar si factori fizico-chimici. Printre moleculele cu rol demesager prim se întâlnesc: mediatorii chimici, hormonii polipeptidici, factori de crestere, antigenii,medicamentele, drogurile.

În urma interactiei, celula poate sintetiza o alta molecula semnal numita mesager secundcare declanseaza raspunsul celular specific. Mesagerul secund poate fi, uneori, chiar complexulreceptor ± mesager prim.

 Mesageri secunzi frecvent întâlniti sunt: acidul adenozin monofosforic ciclic (c-AMP), acidulguanozin monofosforic ciclic (c-GMP), diacil glicerolul (DAG), inozitol trifosfatul (InosP3).

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 26/29

 

Procesele care au loc la nivel celular sunt urmatoarele (Fig. 22): de îndata ce ligandul s-a fixat dereceptor, informatia este transmisa la nivelul membranei, acest lucru survenind de obicei, în urmamodificarii conformatiei receptorului; în urma acestui proces se declanseaza o cascada de reactii îninteriorul celulei având ca urmare o modificare a activitatii celulare la nivelul metabolismului sau lanivelul expresiei genelor; informatia se transmite si de-a lungul membranei celulare, prin semnaleelectrice sub forma de potentiale locale si de tip tot ± sau ± nimic.

 Fig. 22 Calea de transductie a unui semnal 

De exemplu, membrana plasmatica a axonilor celulelor nervoase este capabila sa conduca pedistante lungi informatia sub forma unui curent electric transmembranar care se propaga de la corpulcelular la extremitatile sinaptice.

Etapele semnalizarii intercelulare1. Sinteza moleculei semnal

2. Eliberarea moleculei semnal3. Transportul moleculei semnal catre tinta4. Detectia semnalului5. Raspunsul celular 6. Desprinderea moleculei semnal de receptor 

Semnalele sunt clasificate in urmatoarele categorii:- semnale endocrine- semnale paracrine- semnale de contact- semnale nervoase.

Semnalele endocrine sunt reprezentate de hormonii produsi în glandele endocrine, secretati însânge si distribuiti în organism; Semnalele paracrine, generate de celule, actioneaza local învecinatate; Semnalele de contact, necesita contactul intercelular; Semnalele nervoase se transmit de-alungul axonilor catre celulele tinta;

În ceea ce priveste clasificarea receptorilor membranari, aceasta se face dupa un criteriu bazat  pe clasele functionale de evenimente primare asociate cu legarea moleculei semnal de receptor.Avem de-a face cu

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 27/29

 

- receptori ionotropi care sunt asociati cu canalele ionice si care chiar pot fi canale ionice- receptori metabotropi care pot determina sinteza mesagerilor secunzi (prin intermediul unei

 proteine efectoare), pot fi protein kinaze sau pot activa o protein kinaza

Receptorii ionotropi au o zona receptoare de care se leaga mesagerul prim si o zona efectoare prin care comunica senzorului canalului comanda de deschidere sau închidere a portii. Receptoruleste nu canal ionic si legarea ligandului (numit si agonist) determina dschiderea canalului, permitandun flux ionic ce modifica potentialul membranar. Prin urmare, în urma activarii, receptorul ionotropicafecteaza direct activitatea celulei prin deschiderea nemijlocita a unor canale ionice.

Printre receptorii ionotropi se numara receptorul de acetilcolina, receptorul acidului gamma-aminobutiric (GABA), receptorul glicinic.

Receptorii metabotropi pot determina sinteza mesagerilor secunzi (prin intermediul unei proteine efectoare), pot fi protein kinaze sau pot activa o protein kinaza. 

 Fig. 23 Aparitia raspunsului celular 

Mesagerii secunzi sintetizati activeaza o protein kinaza citoplasmatica -influenteaza activitateacelulei in etape 

-modificare metabolica a celulei 

-aceasta poate sa duca in final la deschiderea sau închiderea unui canal ionic ori poate modifica

o alta activitate a celulei Prin legarea mesagerului prim de zona receptoare, zona efectoare activeaza adenilat-ciclaza carecatalizeaza transformarea ATP în AMP-ciclic, care este chiar mesagerul secund. Acesta, la rândulsau, activeaza protein kinaza c-AMP dependenta, facând-o apta sa declanseze raspunsul celular.Exista posibilitatea ca în loc de c-AMP sa fie folosit c-GMP în calitate de mesager secund, caz incare în locul adenilat ciclazei avem de-a face cu guanilat ciclaza si cu o protein kinaza c-GMPdependenta.

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 28/29

 

Exista receptori care prin zona lor efectoare activeaza o protein kinaza.  

Fig. 24

De exemplu receptorul de insulina poate activa o tirozin kinaza , se fosforileaza alte protein si în finalse produce raspunsul celular care poate fi cresterea permeabilitatii pentru glucoza.

Exemplu:epinefrina (adrenalina), mesagerul prim, se leaga de receptorul specific (de zonareceptoare a acestuia). În urma acestei legari, în urma unei modificari conformationale, receptoruldevine apt sa lege o proteina G. Proteina G, alcatuita din 3 subunitati notate alfa,beta si gamma, sicare în stare libera leaga GDP, sufera la rândul ei o modificare conformationala în urma careiaelibereaza GDP si leaga GTP la subunitatea alfa. Subunitatea alfa se separa de subunitatile beta sigamma si difuzeaza pâna când întâlneste un efector (zona efectoare), adenilat ciclaza. Prin legare deefector acesta se activeaza si catalizeaza transformarea ATP din celula în c-AMP (mesager secund);c-AMP declanseaza o serie de reactii enzimatice prin care este activata enzima fosforilaza si aceasta

din urma determina transformarea glicogenului în glucoza ce este eliberata din celula (raspunsulcelular). Dupa activarea efectorului, subunitatea alfa a proteinei G, prin hidroliza GTP devineinactiva si se recombina cu subunitatile beta si gamma, refacând proteina G. Procesul se poate relua. 

  Exemplu: ciclul biochimic al rodopsinei în excitatia vizuala. Receptorul pentru lumina,rodopsina, leaga în urma fotoactivarii traductina (proteina G) si, în mod analog, traductina activeazao proteina efectoare (PDE). PDE converteste c-GMP (mesager secund) în GMP. Prin aceastaconversie se închid canalele de Na si Ca. Celula se hiperpolarizeaza si informatia este transmisacreierului pe caile nervoase. 

Categoria de receptori care functioneaza cu o proteina G ramân activi si dupa disocierea de

 proteina G, putând activa în continuare un mare numar de proteine G, determinând astfel oamplificare a semnalului.

Mesagerul secund c-AMP poate activa o serie de protein kinaze care, la rândul lor, determinaîn ultima instanta eliberarea de hormoni, neurotransmitatori etc.

Alti receptori folosesc drept mesageri secunzi diacil glicerolul DAG sau inozitol trifosfatulInosP3 (IP3) care se sintetizeaza plecând de la fosfaditil inozitol difosfat (PIP2) din membrana.

5/8/2018 Elemente de Transport Prin Membrana Celulara - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/elemente-de-transport-prin-membrana-celulara 29/29

 

Spre deosebire de DAG care activeaza direct protein kinaza, Inos P3 elibereaza Ca dindepozitele celulare si acesta activeaza protein kinaza Ca dependenta.

De exemplu, anumiti receptori leaga molecule semnal cum ar fi angiotensina, glucoza, Ach etcsi activeaza apoi o proteina G care, la rândul ei, activeaza o enzima numita fosfolipaza C. Substratulacestei enzime este reprezentat de fosfolipide, în special fosfatidil inositol 4-5 difosfat (PIP2).Enzima descompune PIP2 in inositol 1,4,5-trifosfat (IP3), eliberat in citosol, si diaciglicerol (DAG)care ramâne atasat de bistratul lipidic. IP3 se leaga de un receptor specific situat in membranareticulului endoplasmic, receptor care este un canal de calciu. La legarea IP3 canalul de Ca sedeschide. La rândul sau, calciul eliberat poate actiona si el ca mesager secund pentru alte procesecelulare. Unul dintre acestea este activarea, împreuna cu DAG, a protein kinazei C- Ca dependente siaceasta poate fosforila diverse proteine. Un alt proces declansat de Ca este activarea calmodulineicare poate apoi interactiona cu alte proteine etc. 

 Fig. 25