Notite

Notiţe curs 8 Titular curs Biofizică Medicală: Conf. dr. Monica Neagu

1

Transportul transmembranar

Trecerea diferitelor substanţe de pe o faţă pe alta a membranelor biologice este una dintre cele mai importante funcţii ale lor. În mod spontan, transportul va tinde să aibă loc de la concentraţie mai mare, la concentraţie mai mică, iar în cazul particulelor încărcate cu sarcină electrică, apare şi tendinţa de a se deplasa către acea faţă a membranei ce este încărcată cu sarcină de semn contrar. Forţa termodinamică ce stă la baza acestui transport este gradientul potenţialului electrochimic:

0 lni i i iR T c z F E (8.1)

Privind procesul din punct de vedere energetic, expresia energiei libere schimbate în cursul transportului unui mol de substanţă din compartimentul 1 în 2 este:

2

1 2 2 11

ln ( )c

G R T z F E Ec (8.2)

Unul dintre criteriile de clasificare a transportului transmembranar îl constituie cel energetic. Conform acestuia avem:

o transport pasiv, ce are loc spontan, fără consum energetic (ba chiar cu degajare de energie liberă Gibbs, adică este un proces exergonic), în sensul reducerii gradientului electrochimic;

o transport activ, care este un proces endergonic, nu poate decurge spontan, având loc în sensul creşterii forţei termodinamice.

Transportul transmembranar pasiv Este un proces ce se desfăşoară spontan, fără consum energetic, în sensul

reducerii gradientului electrochimic al speciei transportate. Procesul are la bază difuzia ionilor şi a moleculelor mici prin membrana

celulară şi are loc cu degajare de energie liberă Gibbs ( 0G ). Tendinţa transportului pasiv este aceea de a apropia sistemul de starea de echilibru.

Funcţie de tipul particulelor ce difuzează, transportul pasiv poate decurge pe mai multe căi specifice.

Transportul pasiv prin difuzie liberă

Cum membrana celulară are în zona centrală capetele hidrofobe ale fosfolipidelor, prin acest tip de transport vor putea traversa membrana doar moleculele substanţelor puternic liposolubile şi moleculele gazelor.

Fiind unul de difuzie, procesul se supune legii I a lui Fick:

n c

D St x


2

Raportul dintre coeficientul de difuzie ( D ) înmulţit cu coeficient de partiţie ( apalipP : ) şi grosimea membranei ( x ) se numeşte permeabilitate:

:

. . .[ ] /lip apaC G S

P DP P cm s

x

şi are valori diferite funcţie de substanţa transportată. În consecinţă, cantitatea de substanţă ce difuzează pasiv prin secţiunea S a unei membrane este dată de:

2 1( )n

P S c ct

(8.3)

Permeabilitatea membranei pentru moleculele ce difuzează variază invers proporţional cu diametrul moleculei:

P 1

De asemenea, cu cât substanţa este mai liposolubilă, deci se caracterizează printr-un coeficient de partiţie apalipP : mai mare, cu atât va traversa mai uşor

membrana. Prin acest mecanism nu pot trece ionii, căci permitivitatea electrică relativă a

dublului strat ( 2r ) este mult mai mică decât a lichidului extra respectiv intracelular (care sunt soluţii apoase, având 81r ) şi deci forţa de interacţiune coulombiană dintre particulele încărcate este mult mai puternică în interiorul membranei.

Transportul pasiv prin canale ionice

Prin acest mecanism pot traversa membrana particulele încărcate cu sarcină electrică - ionii. La baza lui stau nişte structuri proteice (proteine integrale), care străbat membrana de pe o faţă pe alta, formând în interior canale ce permit trecerea ionilor, în general în ambele sensuri. Sensul de traversare este dictat de gradientul electrochimic.


3

Figura 8.1. Structura unui canal ionic.

Canalele ionice au în componenţă (vezi Figura 8.1):

o un filtru de selectivitate (1), ce discriminează în primul rând conform unor criterii dimensionale;

o un vestibul (2), ce reprezintă canalul de trecere a ionilor; o poartă (3) care se poate găsi în două stări conformaţionale distincte,

într-una permiţând iar în alta blocând trecerea ionului prin canal; o un senzor (4) care comandă poarta.

În funcţie de modul în care este reglată deschiderea canalelor, distingem: canale voltaj-dependente, la care comanda este declanşată de

modificarea potenţialului transmembranar. Cele mai tipice exemple de acest gen sunt canalele cationice (Na , K , Ca 2 ) din membrana celulelor excitabile;

canale comandate chimic, la care deschiderea este provocată de legarea, la gura canalului, a unui mesager chimic. în acest sens, cel mai cunoscut este canalul receptor de acetilcolină (ACh) din membrana postsinaptică a joncţiunii neuromusculare.

Canalele ionice sunt formaţiuni selective, în general ele permiţând trecerea unui număr redus de specii ionice. Canalele pentru cationi sunt mult mai frecvente; ele însă nu permit trecerea anionilor, având la intrare sarcini negative care îi resping. Pentru sarcinile de acelaşi semn, selectivitatea are drept criteriu dimensiunea ionului.


4

Astfel, canalele de Na au secţiunea mai mare (5,1 Å diametru la nivelul filtrului de selectivitate) decât cele de K . Motivul constă în faptul că, deşi ionul de sodiu are raza mai mică, el este foarte puternic legat de moleculele de apă vecine, deci va străbate canalul urmat de apa sa de hidratare.

Trebuie făcută aici precizarea că, cu cât raza unui ion este mai mică, interacţiunile de tip ion-dipol ce se exercită între acesta şi moleculele de apă vecine sunt mai puternice. Conductanţa unui canal de sodiu are valoarea 7Nag pS.

Canalele de K sunt mai înguste (3,3 Å diametru la nivelul filtrului de selectivitate), deşi ionul de potasiu are raza mai mare. în momentul în care acesta ajunge la gura canalului, este mai întâi "dezbrăcat" de moleculele de apă, urmând să traverseze canalul fără apa sa de hidratare. Conductanţa unui canal de potasiu este

4Kg pS. Canalul receptor de acetilcolină este un exemplu tipic de canal comandat

chimic, ce se deschide în momentul legării de el a două molecule de mediator. Este un canal larg ( 40S Å 2 ) şi în consecinţă puţin selectiv, permiţând trecerea unui număr mare de cationi precum şi a unor molecule mici de neelectrolit. Nu permite însă trecerea anionilor. Are conductanţa 27AChg pS.

Transportul pasiv prin difuzie facilitată

Am văzut în cele de mai sus că moleculele hidrofobe mici pot traversa membrana prin difuzie liberă, ionii trec prin canale ionice, însă moleculele hidrofile, polare nu pot folosi nici una dintre aceste căi. Trecerea prin membrană a substanţelor având un predominant caracter hidrofil este mediat de nişte molecule transportoare, numite carrier, mecanismul purtând numele de difuzie facilitată.

Transportorii sunt molecule de mare specificitate, capabile chiar să facă distincţie între doi izomeri ai aceleiaşi substanţe. Carrier - ul recunoaşte molecula pentru care este specific şi favorizează transportul acesteia în sensul reducerii gradientului ei electrochimic, deci de la concentraţie mare la concentraţie mică.

Există două stări conformaţionale distincte în care se poate găsi un transportor: - o stare în care locul de legare a moleculei transportate se află pe faţa 1 a membranei; - o alta, în care situs - ul se află pe faţa 2 a acesteia. În Figura 8.2 este prezentat schematic modul în care decurge acest mecanism.


5

Figura 8.2. Difuzia facilitată.

După legarea moleculei ce urmează a fi transportată pe acea faţă a membranei

unde concentraţia acesteia este mai mare (c1 c 2 ), are loc o modificare conformaţională a carrier - ului ce are ca rezultat transferarea situs - ului (locului de legare) pe cealaltă faţă a membranei, urmată de eliberarea, în acest loc, a moleculei transportate.

Eficienţa difuziei facilitate este mult mai mică decât a celei prin canale ionice. Astfel, dacă un canal ionic permite trecerea a până la 810 ioni/s, în procesul de difuzie facilitată a glucozei prin membrana eritrocitului, carrier - ul este capabil de transportul a circa 300 molecule/s.

Cantitatea de substanţă ce difuzează facilitat în unitatea de timp este dată de relaţia:

2 1

2 1

c cnk P S

t c k c k

(8.4)

unde: P reprezintă permeabilitatea membranei pentru substanţă, S este suprafaţa prin care are loc difuzia, k este constanta de disociere a complexului enzimă - substrat, iar 1c şi 2c sunt concentraţiile substratului pe cele două feţe ale membranei.

Studiind relaţia de mai sus, se observă că la concentraţii mici ale substratului ( 1c , 2c << k ) formula degenerează în legea I a lui Fick. La concentraţii mari, însă, ( 1c , 2c >> k ), intervine la un moment dat o saturare a carrier - ului, iar transportul încetează. într-adevăr, trecând la limită în relaţia de mai sus, obţinem 0n .

Prin acest mecanism are loc transportul prin membrană a moleculelor de glucoză, dar şi a unor ioni. Un exemplu îl constituie valinomicina, care încorporează ionul de K , facilitând translocarea acestuia prin membrană (vezi Figura 8.3).


6

Figura 8.3. Transportul ionului de K+ facilitat de valinomicină.

Notite

Documents

Transcript of Notite