Permeabilitate şi transport

21
Permeabilitate şi transport 3.1. Structura membranei celulare Membrana celulară (sau plasmatică) este în esenta formata din lipide, proteine şi carbohidrati, acestia din urma atasati fie de lipide, fie de proteine. Raportul molar dintre lipide şi proteine variaza intre 1:4 şi 4:1. 3.1.1. Lipidele membranare Principalele lipide ale membranei eucariote sunt fosfolipidele, glicolipidele şi colesterolul. Colesterolul lipseste din membrana procariotă cu exceptia unui grup restrans de bacterii, paraziti intracelulari, numite micoplasme (care provoaca, de exemplu, unele forme de pneumonii). Lipidele membranare sunt molecule amfipatice, adica au capat polar, hidrofil şi unul nepolar, hidrofob . Structura lipidelor membranare 1

Transcript of Permeabilitate şi transport

Page 1: Permeabilitate şi transport

Permeabilitate şi transport

31 Structura membranei celulare

Membrana celulară (sau plasmatică) este icircn esenta formata din lipide proteine şi carbohidrati acestia din urma atasati fie de lipide fie de proteine Raportul molar dintre lipide şi proteine variaza intre 14 şi 41

311 Lipidele membranare

Principalele lipide ale membranei eucariote sunt fosfolipidele glicolipidele şi colesterolul Colesterolul lipseste din membrana procariotă cu exceptia unui grup restrans de bacterii paraziti intracelulari numite micoplasme (care provoaca de exemplu unele forme de pneumonii) Lipidele membranare sunt molecule amfipatice adica au capat polar hidrofil şi unul nepolar hidrofob

Structura lipidelor membranare

Proprietatile lipidelor membranare sunt a) In solutii apoase membranele lipidice se grupeaza icircn mod spontan icircn micelii sau icircn

bistrat Spre interiorul bistratului se dispun capetele hidrofobe iar spre exterior cele hidrofile

1

b) Lipidele din membrana nu sunt imobile ci executa mai multe tipuri de miscari de difuzie laterala sau translatie (foarte rapide ele schimbandu-si locul cu vecinii lor icircn mai puţin de 1μs) de rotatie icircn jurul propriei axe de flexie a capetelor hidrofobe respectiv a lanturilor de acizi grasi (cu o mobilitate ridicata pentru acizii grasi saturati icircn timp ce lanturile de acizi grasi nesaturati avand duble legaturi cu orientare cis sunt mai rigide) şi miscari de flip-flop sau de difuzie transversala (trecerea unei molecule de pe o fata a bistratului pe alta este o miscare foarte lenta putand dura ore) Prezenta colesterolului icircn diverse concentraţii poate reduce mobilitatea translationala şi de flexie

Miscarile lipidelor icircn membrane plasmatică

c) Lipidele sunt distribuite asimetric pe cele două fete ale membranei Membrana prezintă o fata externă (de regula bogata icircn fosfolipide cu colina fosfatidilcolina) şi una interna citoplasmatică (mai bogata icircn lipide cu amine fosfatidiletanolamina) Tot icircn aceasta idee glicolipidele sunt dispuse pe fata externă a membranei cu grupările glucidice proiectate icircn afara celulei aceste glicolipide avand un rol importand icircn comunicarea celulară

312 Proteinele membranare

Gruparea proteinelor membranare se poate face icircn funcţie de interacţiunea lor cu lipidele

a) Proteine integrale Sunt greu de disociat de lipidele inconjuratoare deoarece interacţionează puternic cu capetele lor hidrofobe unele dintre proteine formand adevarate retele icircn profunzimea membranei Proteinele transmembranare sunt proteine integrale care sunt expuse atat la exteriorul membranei cat şi pe fata

2

citoplasmica cu alte cuvinte strabat membrana pe toata grosimea ei Aceste proteine pot prezenta capetele C (carboxi -COOH) respectiv N (amino -NH2) orientate spre

aceeasi fata a membranei sau spre fete opuseb) Proteinele periferice (proteine solubile) interacţionează prin legaturi de hidrogen sau

forte electrostatice cu capetele polare ale lipidelor sau cu partea care proemineaza icircn afara membranei a proteinelor integrale

Dispunerea proteinelor icircn membrana lipidică

313 Miscarea proteinelor icircn membrane

La fel ca lipidele proteinele nu sunt imobilizate icircn bistratul lipidic ci executa o serie de miscari Cea mai improbabila miscare este cea de flip-flop care este puternic restrictionata Din aceast cauza membrana lipidică manifesta de asemenea o tendinta de polarizare (distributie inegala) a proteinelor pe cele două fete

In 1972 Singer şi Nicholson au propus modelul mozaicului fluid al membranei icircn care proteinele executa miscari laterale aceste miscari fiind influentate de fluiditatea membranei Modelul mozaicului fluid este icircn mare parte valabil cu exceptia faptului ca proteinele nu se misca haotic Cauzele pentru care miscarile proteinelor icircn fluidul membranar sunt limitate sunt cantonarea icircn anumite domenii membranare jonctiunile celulare agregarea şi cresterea masei stabilizarea prin legarea de elemente externe pe fata citoplasmica unele proteine sunt legate de componente ale citoscheletului

Miscarea glicoproteinelor este la racircndul lor limitata de necesitatea ca resturile glucidice să proemine pe fata extracelulară a membranei

3

Reprezentarea modelului mozaicului fluid al membranei celulare

314 Fluiditatea membranei

Este o proprietate fundamentala a membranelor plasmatice şi a celor care delimiteaza organitele celulare permitand deplasarea proteinelor icircn bistratul lipidic miscari care sunt importante pentru indeplinirea multor functii celulare Fluiditatea membranelor este influenţata de urmatorii factori a) Natura icircmpachetarii şi a interacţiunilor dintre lanturile de acizi grasi (AG) aparţinand

fosfolipidelor membranare Lanturile lungi ale acizilor graşi interacţionează mai puternic intre ele rezultacircnd o icircmpachetare stransă deci o fluiditate mai redusă decat icircn cazul portiunilor membranare cu lanturi scurte de AG Prin creşterea temperaturii se poate de

asemenea creşte fluiditatea membranei (legaturile duble trans se rotesc cu 120o) Există de asemenea o relaţie direct proportională icircntre temperatura de topire (Tm) şi lungimea lanţurilor acil Lanturile AG nesaturaţi cu legături duble cis nu se impachetează strans rezultacircnd o creştere a fluidităţii şi scădere a Tm Cu cacirct este mai mare numărul de legături duble cu atăt Tm este mai scazută iar fluiditatea mai ridicată

b) La animale colesterolul se insinueaza intre lanturile de AG reducandu-le mobilitatea şi crescand rigiditatea membranei Aceasta este o adaptare a membranei animale icircn lipsa peretelui celular (cu rol protector la plante şi bacterii) Cercetari recente arata ca efectul colesterolului asupra mobilitatii moleculelor membranare este diferit icircn funcţie de distanta fata de suprafaţa membranei şi de temperatura La temperaturi ridicate (peste temperatura de tranzitie a fosfolipidelor) colesterolul miscoreaza fluiditatea membranei datorita scheletului rigid al inelelor sterolice icircn timp ce la temperaturi joase colesterolul mentine distanta dintre

4

capetele hidofope ale lipidelor diminuand interacţiunile dintre acestea şi contribuind la ridicarea gradului de fluiditate a membranei

32 Rolul membranei celulare ndash procese de transport

Membrana plasmatică are trei proprietati fundamentale 1 Este un mozaic fluid permitand miscarea limitata a proteinelor 2 Este polarizata avand o distributie diferita de lipide şi proteine de o parte şi alta a ei 3 Are permeabilitate selectivă permitand trecerea unor substanţe şi blocand tranzitul

altora

Membrana plasmatică indeplineste mai multe roluri vitale pentru celula 1048633 Compartimentalizarea celulelor eucariote (aspect ce va fi discutat icircn capitolele

următoare) 1048633 Suport pentru desfăşurarea unor reacţii biochimice 1048633 Bariera de protectie cu permeabilitate selectivă 1048633 Transportul nutrientilor (ioni molecule organice) 1048633 Mediaza raspunsul la semnalele din mediul extern sau intern 1048633 Participa la comunicarea intercelulară

321 Permeabilitatea selectivă a membranei pentru neelectroliti şi ioni

Membrana lipidică bistratificata nu este o structura inerta impenetrabila ci este un sistem dinamic care permite trecerea activa sau pasiva a unor categorii de compuşi icircn general prin permeabilitate se pot intelege fenomenele de difuzie simpla nefacilitata de alte structuri decat de cea a membranei propriu-zise Difuzia simpla Proprietatea prin care membranele lipidice bistratificate permite trecerea unor substanţe şi blocheaza tranzitul altor substanţe se numeste permeabilitate selectivă Aceasta proprietate a fost descoperita experimental mai intai icircn modele artificiale icircn bistraturi lipidice apoi icircn modele naturale icircn membranele plasmatice Primul care a enuntat o regula privind permeabilitatea bistratelor lipidice a fost Overton (1902) coeficientii de permeabilitate se coreleaza cu coeficientii de partitie uleiapa ai diferitelor substanţe Cu alte cuvinte cu cat o substanta este mai hidrofobă cu atat patrund icircn celula cu o viteza mai mare Termeni utilizati icircn relatie cu permeabilitatea bistratelor lipidice

o Coeficientul de permeabilitate este raportul dintre fluxul (J cantitatea de substanta ce traversează suprafaţa membranei icircn unitatea de timp

molmiddotcm-2middots-1) şi diferenta de concentraţie (Δc a substanţei de pe

ambele fete ale membranei molmiddotcm-3) astfel P =J

Δc(cms)

o Coeficientul de difuzie D este direct proportionala cu coeficientul de

permeabilitate P şi cu grosimea membranei x D =P∙ x(cm2s)

5

o Coeficientul de partitie (Kp) reprezintă raportul de distributie a

substanţei intre membrana (cm) şi solutie (c) Kp = cm

co Daca integram cele trei ecuatii de mai sus pentru a le aplica unei

membrane lipidice bistratificate obtinem următoarea relatie P =Kp∙ D

x

coeficientul de permeabilitate fiind produsul dintre coeficientii de partitie şi difuzie icircn membrana impartit la grosimea membranei

Cea mai importanta substanta neelectrolitica cu molecula mica este apa Membranele biologice sunt partial permeabile pentru apa care traversează bistratul lipidic prin difuzie

libera (avand un coeficient de permeabilitate de 10-3-10-4 cms) Difuzia libera este un proces pasiv care nu necesita consum de energie Exista cazuri icircn care circulatia apei de o parte pe alta a membranei este controlata de către celula prin intermediul aquaporinelor (proteine-canal pentru apa) din membrana eritrocitelor (hematii sau globule rosii din sange)

In ceea ce priveste electrolitii masuratorile au evidenţiat gradul ridicat de impermeabilitate

a membranelor lipidice artificiale pentru cationi (cu coeficienti de permeabilitate de cca 10-

12-10-13 cms) Prezenta proteinelor icircn membranele naturale determina o crestere considerabila (de pacircnă la 1000 de ori) a permeatiei ionilor Acest lucru dovedeste implicarea proteinelor icircn transportul electrolitilor transport care nu se mai realizează icircn mod dominant prin difuzie pasiva ca icircn cazul apei ci prin transport activ Principala bariera icircn calea difuziei pasive a ionilor o constituie cel mai probabil interiorul hidrofob al bistratului lipidic Cresterea temperaturii urmata de o fluidizare mai pronuntata a membranelor lipidice artificiale determina şi o crestere a permeabilitatii pentru ioni Pe de alta parte anionii sunt mult mai permeanti decat cationii datorita potentialului de dipol care este pozitiv şi care favorizeaza trecerea prin scaderea energiei de transfer al anionilor

Cel mai permeant anion anorganic este Cl- din motive inca discutate

In privinta protonilor (H+) respectiv a ionilor hidroxil (HO-) s-a constatat ca icircn membranele

artificiale acestia prezintă proprietati de permeare apropiate cu ale apei (P=10-4-10-6 cms) icircn funcţie de compozitia lipidică In schimb membranele naturale prezintă o permeabilitate

şi mai mare (10-3 cms) fapt care indica din nou implicarea proteinelor icircn transportul acestor ioni

Difuzia simpla (a apei) are o contributie esenţiala la realizarea izotonicitatii celulelor icircn raport cu mediul extern

322 Transportul mediat de structuri speciale

Transportul diferitelor substanţe prin membrana celulară poate fi mediat de o serie de molecule numite canale şi transportori Daca transportul nu necesita consum de energie

6

decurge icircn sensul gradienilor electrochimici atunci se numeste transport pasiv (ex difuzia simpla şi difuzia facilitata) icircn schimb daca transportul reclama consum de energie şi se desfasoara impotriva gradientului chimic sau electric se numeste activ Difuzia facilitata Unii compuşi precum apa dar şi alti compuşi neelectrolitici precum glicerolul sau ureea protonii ionii hidroxil şi icircntr-o foarte mica masura anionii şi cationii pot difuza liber prin bistratul lipidic Exista icircnsă şi alte cai pasive neconsumatoare de energie prin care se realizează transportul substanţelor de o parte şi alta a membranei icircn sensul gradientilor de concentraţie şi anume prin intermediul ionoforilor şi a proteinelor-canal Ionoforii sunt polipeptide din categoria antibioticelor capabili de a realiza trecerea selectivă a unor ioni prin membrane lipidice Ionoforii incapsuleaza de obicei ionii printr-un proces de ciclizare sau semiciclizare şi transporta prin membrana conform gradientului electrochimic printr-un proces de dute-vino intre fetele membranei Exemple de ionofori ciclici şi ionii

transportati sunt valinomicina (K+) şi nigericina (K+ şi H+)

Alti ionofori sunt capabili de transportul ionilor prin asamblarea lor sub forma de canale sau pori membranari (gramicidina nistatina amfotericina) Ionoforii sunt icircnsă substanţe de origine artificiala şi au semnificatie experimentala icircn studiul fenomenelor de transport la nivelul membranelor O aplicatie practica direct resimtita de noi este efectul antibiotic al acestor ionofori prin permeabilizarea totala a celulelor bacteriene patogene cu consecinte letale pentru acestea (dezechilibru ionic poate fi fatal celulei)

O alta categorie de molecule implicate icircn difuzia facilitata a ionilor şi apei este cea a proteinelor-canal Ei sunt transportori naturali prezenti icircn membrane şi care poti fi operati icircn cateva moduri

Canale ope a)Canale operate de voltaj (voltage-gated channels) se deschid sau inchid ca raspuns la o schimbare a potentialului electric transmembranar icircn aceasta categorie intra

canalele de Na+ K+ şi Ca+ din membranele excitabile (din muschi şi sistemul nervos)

b)Canale operate chimic care raspund unui stimul chimic (hormoni sau neurotransmitatori) Aceste canale se gasesc la nivelul membranelor postsinaptice din jonctiunile neuromusculare

c)Canale care nu sunt reglate de un factor anume şi canale care sunt operate fizic (de exemplu sub acţiunea presiunii osmotice) Unii cercetatori le incadreaza icircn categoria porilor deoarece nu sunt considerate canale propriu-zise

In concluzie functia majora a canalelor ionice este de a facilita si de a regla pentru o foarte scurta perioada de timp miscarea ionilor in sensul gradientului de concentratie stabilit initial de o parte si alta a membranei plasmatice (celulare) sau membranei organitelor intracelulare aceasta disipare temporara a gradientului ionic determina o perturbare a functiilor celulare sau apare ca o necesitate de folosire predominanta a canalelor ionice

7

pentru traducerea semnalelor si transferul de informatie (ex la nivelul sinapselor nervoase)

O a treia categorie de molecule care mediaza transportul pasiv al substanţelor este cea a proteinelor-transportor (carriers sau carausi) Ele realizează trecerea unidirectionala icircn sensul gradientului chimic (pentru o specie neutra) sau electric (ioni) a unei singure substanţe (transport uniport)

Din punct de vedere enzimatic difuzia facilitata mediaţa de transportori are o cinetica de tip Michaelis-Menten fiind caracterizata de o viteza maxima (Vmax) şi o constanta

Michaelis (KM) spre deosebire de difuzia simpla care are o cinetica liniara

Exemple de transportori pasivi de tipul proteinelor-caraus sunt transportorul glucozei din membrana eritrocitara şi transportorii unor aminoacizi din membrana bacteriana

Cinetica difuziei simple şi facilitate

8

Difuzia facilitata a glucozei icircn care proteina-

caraus adopta mai multe stari conformaţionale

323 Transportul activ

Cand transportul unei substanţe este dependent de transportul altei substanţe afirmam ca transportul este cuplat Exista două categorii de transport cuplat antiport (contratransport sau difuzia de schimb substanţele sunt transportate icircn sens opus) şi simport (cotransport ambele specii chimice sunt transportate icircn acelasi sens) Teoretic transportul cuplat poate fi pasiv ca icircn cazul unor ionofori care realizează de

exemplul contratransportul K+H+ (nigericina) icircn realitate icircn membranele naturale vii diferenta (gradientul) electrochimic este mentinut prin procese consumatoare de energie iar simportul sau antiportul unor compuşi icircn sensul gradientului electrochimic este posibil numai icircn condiţiile icircn care celula mentine activ acest gradient Icircn acest caz putem spune ca transportul este cuplat secundar cu energia (transport activ secundar) Pe de alta parte o serie de transportori proteici realizează procese de transport cuplate direct cu consumul de energie (in speta cu hidroliza legaturilor macroergice ale ATP) Icircn acest caz transportorii sunt cuplati primar cu energia (transportori activ primar sau ldquopompe primarerdquo)

3231 Transportul activ primar

In transportul activ primar sunt implicate proteine care cupleaza translocarea unei substanţe (ioni sau molecule) impotriva gradientului chimic cu o sursa de energie Aceste surse de energie pot fi 1 Hidroliza ATP iar icircn acest caz transportorii proteici se numesc pompe (ionice) activate

de ATP Astfel de pompe cuplate cu activitatea ATP hidrolazica (ATPazica) sunt

exemplificate cel mai bine de Na+-K+-ATPaza care funcţionează ca transportor activ al

ionilor de Na+ dintr-un compartiment intracelular (cu concentraţie mica de Na+) spre

compartimentul extracelular (cu concentraţie ridicata de Na+) la schimb cu ionii de K+

9

care sunt translocati dinspre o concentraţie redusa din fluidul extracelular spre o

concentraţie de K+ ridicata din compartimentul intracelular (citosolic) Aceasta pompa este una dintre sursele majore de mentinere a potentialului electrochimic transmembranar

2 Razele luminoase Proteinele a caror funcţie transportoare este energizata sub acţiunea luminii se numesc ldquopompe (ionice) activate de luminardquo Pompele activate de lumina se intalnesc icircn membranele unor bacterii (de exemplu proteinele numite halorodopsina şi bacteriorodopsina)

Pompele ATPazice Transportorii primari de tipul ATPazelor indeplinesc roluri vitale pentru celula şi sunt raspanditi icircn toate organismele vii (procariote şi eucariote celule vegetale şi animale deopotriva) Pompele activate de ATP pot fi impartite icircn patru clase icircn funcţie de caracteristicile lor structural-functionale P-ATPaze V-ATPaze F-ATPaze şi proteine de tip ABC A P-ATPazele sunt o clasa de transportori inruditi genetic şi structural Ele includ

antiportorul Na+-K+-ATPaza (al carui rol a fost explicat mai sus) antiportorul K+-H+-ATPaza (implicat icircn generarea aciditatii din stomac prin transportul de protoni spre

exteriorul celulei icircn cavitatea stomacala la schimb cu ionii de K+ care patrund icircn celula)

şi Ca2+-ATPaza (prezenta icircn membrana celulară şi membrana reticului endoplasmic

transporta ionii de Ca2+ din citosol spre exteriorul celulei sau spre interiorul RE

mentinand concentraţia Ca2+ din citosol la un nivel redus astfel ca acesti ioni pot actiona ca semnale celulare)

P-ATPazele sunt astfel denumite (ldquoPrdquo) deoarece translocarea ionilor de o parte pe alta a membranei implica o modificare temporara covalenta a proteinei cu transferul fosfatului de pe ATP la gruparea carboxilica a acidului glutamatic (Glu) sau aspartic (Asp) din situsul activ Se formeaza o legătură cu energie inalta Icircntr-o etapă ulterioara fosfatul anorganic (Pi) este eliberat la fel şi ionul proteina revenind la starea initiala Pentru ca aceste proteine adopta două stari conformaţionale diferite (denumite E1 şi E2) ele au mai fost numite şi E1E2ATPaze

Mai jos va fi detaliaţa structura şi functionarea antiportorului Na+-K+-ATPaza Na+-K+-ATPaza Este un complex proteic membranar larg raspandit icircn celulele eucariote Se estimeaza ca circa 25 din totalul ATP citosolic din celulele umane icircn repaus este consumat de pompele de sodiu icircn vreme ce icircn celulele nervoase acest procent atinge 70 din ATP total

Na+-K+-ATPaza este un tetramer compus din patru subunităţi două subunităţi alfa (~113 kD) care sunt responsabile pentru transportul propriu-zis al ionilor şi de legarea ATP continand situsul de fosforilare şi două subunităţi mai mici beta (~35 kDa) Subunităţile beta sunt glicoproteine necesare activităţii complexului facilitand localizarea membranara şi activarea subunităţilor alfa

10

Transportul cationilor decurge prin intermediul unui ciclu de modificări conformaţionale datorate fosforilarii de la nivelul situsului activ din subunitatea alfa

bull Pompa cu ATP legat (starea conformaţionala E1) capteaza 3 ioni de Na+ de pe fata citosolică

bull ATP este hidrolizat fosfatul este transferat unei grupări carboxil din situsul de fosforilare aflat pe fata citosolică a pompei cu eliberare de ADP

bull Pricircntr-o modificare conformaţionala (starea E2) a carui mecanism este inca incert

pompa expune ionii de Na+ pe fata extracelulară unde ei sunt eliberati

bull Pompa leagă 2 ioni de K+ din mediul extracelular iar subunitatea alfa este defosforilata

bull ATP se leagă din nou iar pompa se reorienteaza eliberand ionii de K+ icircn citosol

bull Cu ATP legat de subunitatea alfa pompa (E1~ATP) este pregatita să lege ionii de Na+

iar ciclul se repeta

B V-ATPazele au fost initial identificate la eucariote şi mai exact icircn membrana vacuolelor (ldquoVrdquo) din celulele vegetale Ulterior V-ATPazele au fost descrise şi la bacterii Ele funcţionează ca pompe primare ce transporta protoni (in majoritatea cazurilor) sau ioni de

Na+ Ele contribuie la realizarea gradientilor transmembranari de protoni

C F-ATPazele se deosebesc de celelalte pompe ATPazice prin faptul ca sunt capabile nu numai de hidroliza ATP ci şi de sinteza ATP reprezentand enzime care contribuie la procesul de fosforilare (ldquoFrdquo) oxidativă (sinteza ATP cuplata cu respiratia) F-ATPazele sunt prezente la eucariote exclusiv icircn membrana mitocondriala şi cloroplastidiala interna icircn membranele bacteriilor şi arhebacteriilor (unde poarta numele de A-ATPaze) Desi funcţia principala este de a genera ATP pe seama gradientului electrochimic transmembranar susţinut icircn urma respiraţiei la unele bacteriui funcţia să este predominat hidrolazica generand potential electrochimic pe baza consumului de ATP Icircn laborator (in vitro) F-ATPazele pot functiona icircn ambele directii depinzand de condiţiile experimentale

11

D Proteinele transportoare de tip ABC (ATP-binding Cassetterdquo) au fost relativ recent descoperite şi reprezintă o clasa de proteine localizate atat icircn membrana plasmatică cat şi icircn membranele organitelor celulare Ele mediaza translocarea unor substrate variate ioni molecule organice (lipide acizi biliari conjugati glutationici şi glucuronici peptide mici) compuşi de sinteza (medicamente droguri) Majoritatea proteinelor ABC utilizează energia furnizata de hidroliza ATP (transport activ) icircnsă unele pot forma canale membranare specifice (de exemplu proteina CFTR reglatorul de conductanta transmembranara al fibrozei cistice care este un canal de clor) Aceste proteine sunt prezente la toate organismele vii de la bacterii la om (din cele peste 1000 de proteine ABC identificate 48 sunt tipic umane) Mutatii ale genelor ce codifică aceste proteine ABC au fost asociate cu numeroase maladii genetice (ex fibroza cistica) Avand posibilitatea de a lega şi transporta medicamente din şi inspre interiorul celulei proteinele ABC sunt raspunzatoare pentru esecul majoritatii tratamentelor medicale asupra bolnavilor de cancer care manifesta rezistenta la o serie de substanţe citotoxice (utilizate icircn chimioterapie) icircn rezistenta unor forme de malarie icircn dificultatea tratarii SIDA Aceste proteine ABC capabile de transportul medicamentelor şi apariţia rezistentei la tratamentele medicamentoase se numesc proteine MDR (ldquoMulti-drug resistancerdquo)

Un alt rol atribuit transportorilor de tip ABC este de facilitare a miscarii flip-flop (difuzie transversala) a lipidelor membranare şi de aceea aceste grup de proteine ABC se mai numesc flipaze dependente de ATP icircn general aceste translocaze de lipide transporta lipide din stratul intern pe fata externă a bistratului membranei cuplat cu transportul altor compuşi (acizi biliari medicamente)

Structura tipica a unei proteine de tip ABC constă din cel puţin 2 domenii transmembranare (TMD ldquoTransmembrane domainsrdquo) şi minimum 2 domenii de legare a ATP (ABC) Regiunile TMD ancoreaza proteina icircn membrana formand un por prin care trec o varietate remarcabila de substanţe Domeniul de legare al ATP este orientat spre fata citoplasmica şi la

12

nivelul ei se elibereaza energia ATP Nu se cunoaste modalitatea prin care energia este convertita de situsul ABC pentru a fi utilizată icircn transport şi nici mecanismul exact al transportului

Structura transportorilor de tip ABC icircn sectiune transversala (A) şi dispunerea peptidelor icircn spatiu (B)

Transportul activ secundar

Transportorii activi secundari cupleaza miscarea unei substanţe impotriva gradientului de concentraţie la schimb cu transportul altui ion icircn sensul gradientului sau de concentraţie Transportul activ secundar este intotdeauna un proces de co-transport fie de tip simport (ex

simportorii de Na+glucoza şi Na+aminoacizi) sau antiport (ex antiportorul Na+H+) Activitatea acestor transportori nu este asadar direct energizata de ATP ci indirect prin functionarea unor pompe primare de ATP care genereaza gradienti electrochimici Acesti gradienti constituie apoi motorul pentru transportorii secundari Cinetica transportului activ secundar este similara cu cea a difuziei facilitate La concentraţii foarte mari de substrat transportul este franat de lipsa unui număr suficient de proteine capabile să lege substratul existent Două exemple importante merita să fie amintite aici Simportorul Na+glucoza Transportorii secundari ai hexozelor sunt proteine transmembranare localizate icircn principal icircn celulele intestinale şi renale O semnificatie deosebita o au transportorii hexozelor (glucoza galactoza) de la polul apical

al celulelor din invelisul inestinal intern Simportorul Na+glucoza (prescurtat SGLUT) faciliteaza preluarea specifica a unei molecule de glucoza (si galactozei) din lumenul (cavitatea) intestinal(a) unde monozaharidele apar ca urmare a procesarii digestive a hranei

13

Glucoza este transportata din exteriorul celulei spre interior unde concentraţia acesteia este mult mai mare (impotriva gradientului de concentraţie) la schimb cu 2 ioni de sodiu Acest transport este posibil numai cu consum de energie iar forta motrice a functionarii simportului

este gradientul chimic de Na+ stabilit icircn urma functionarii pompelor primare dependente de ATP Glucoza este ulterior ldquodescarcatardquo icircn sange de unde ajunge la toate celulele organismului asigurand nutritia lor

Antiportorul Na+H+O parte din echilibrul ionic al celulelor este mentinut şi cu ajutorul unei clase de proteine

care transporta ionii de sodiu la schimb cu protoni Acestia sunt antiportorii Na+H+ (sau prescurtat Nha) care sunt prezenti icircn membrana plasmatică a celulelor bacteriene la celulele vegetale şi animale Forta motrice pentru functionarea acestor antiportori il reprezintă gradientul de pH generat icircn urma activităţii lantului respirator sau icircn urma functionarii unor

pompe primare de H+ Astfel 2 protoni sunt introdusi icircn citosol (in sensul gradientului de concentraţie) la schimb cu 3 ioni de sodiu care sunt expulzati impotriva gradientului de concentraţie Acest antiport are o semnificatie deosebita icircn cursul adaptarii la condiţii saline cacircnd concentraţia de saruri (NaCl sau NaHCO3Na2CO3) din mediul extern este foarte

mare Celula bacteriana şi vegetala au tendinta de a mentine concentraţia internă de ioni de sodiu icircn limite normale tocmai prin activitatea intensa a acestor antiportori

In celulele animale antiportorii de Na+H+ sunt distribuiti predominant la nivelul polului apical al celulelor renale implicate icircn formarea urinei Aceste celule au capacitatea de

a ldquorecuperardquo Na+ din urina (la nivelul membranei apicale) printr-un mecanism activ

secundar de simport Na+H+ Preluarea sodiului este posibila datorita ldquoaciditatiirdquo mediului intern celular care constituie motorul de deplasare a ionilor de sodiu spre interior (impotriva gradientului de concentraţie) Ionii de sodiu sunt mai departe transportati spre sange pentru a

se asigura tonicitatea acestuia prin polul bazal printr-un antiportor secundar Na+HCO3-

Mecanismele de transport ale Na+ K+ H+ apei glucozei sunt icircnsă mult mai subtile la acest nivel celulele renale avand capacitatea de a orienta migrarea acestor compuşi pentru asigurarea unui echilibru chimic electric şi de pH intre sange şi urina Orice dezechilibru genetic şi metabolic la acest nivel declanseaza boli ale rinichiului numite nefropatii şi boli ale sistemului cardiovascular (ex hipertensiune)

14

  • Permeabilitate şi transport
    • 31 Structura membranei celulare
      • 311 Lipidele membranare
      • 312 Proteinele membranare
      • 314 Fluiditatea membranei
        • 32 Rolul membranei celulare ndash procese de transport
          • 321 Permeabilitatea selectivă a membranei pentru neelectroliti şi ioni
          • 322 Transportul mediat de structuri speciale
          • 323 Transportul activ
          • 3231 Transportul activ primar
          • Transportul activ secundar
Page 2: Permeabilitate şi transport

b) Lipidele din membrana nu sunt imobile ci executa mai multe tipuri de miscari de difuzie laterala sau translatie (foarte rapide ele schimbandu-si locul cu vecinii lor icircn mai puţin de 1μs) de rotatie icircn jurul propriei axe de flexie a capetelor hidrofobe respectiv a lanturilor de acizi grasi (cu o mobilitate ridicata pentru acizii grasi saturati icircn timp ce lanturile de acizi grasi nesaturati avand duble legaturi cu orientare cis sunt mai rigide) şi miscari de flip-flop sau de difuzie transversala (trecerea unei molecule de pe o fata a bistratului pe alta este o miscare foarte lenta putand dura ore) Prezenta colesterolului icircn diverse concentraţii poate reduce mobilitatea translationala şi de flexie

Miscarile lipidelor icircn membrane plasmatică

c) Lipidele sunt distribuite asimetric pe cele două fete ale membranei Membrana prezintă o fata externă (de regula bogata icircn fosfolipide cu colina fosfatidilcolina) şi una interna citoplasmatică (mai bogata icircn lipide cu amine fosfatidiletanolamina) Tot icircn aceasta idee glicolipidele sunt dispuse pe fata externă a membranei cu grupările glucidice proiectate icircn afara celulei aceste glicolipide avand un rol importand icircn comunicarea celulară

312 Proteinele membranare

Gruparea proteinelor membranare se poate face icircn funcţie de interacţiunea lor cu lipidele

a) Proteine integrale Sunt greu de disociat de lipidele inconjuratoare deoarece interacţionează puternic cu capetele lor hidrofobe unele dintre proteine formand adevarate retele icircn profunzimea membranei Proteinele transmembranare sunt proteine integrale care sunt expuse atat la exteriorul membranei cat şi pe fata

2

citoplasmica cu alte cuvinte strabat membrana pe toata grosimea ei Aceste proteine pot prezenta capetele C (carboxi -COOH) respectiv N (amino -NH2) orientate spre

aceeasi fata a membranei sau spre fete opuseb) Proteinele periferice (proteine solubile) interacţionează prin legaturi de hidrogen sau

forte electrostatice cu capetele polare ale lipidelor sau cu partea care proemineaza icircn afara membranei a proteinelor integrale

Dispunerea proteinelor icircn membrana lipidică

313 Miscarea proteinelor icircn membrane

La fel ca lipidele proteinele nu sunt imobilizate icircn bistratul lipidic ci executa o serie de miscari Cea mai improbabila miscare este cea de flip-flop care este puternic restrictionata Din aceast cauza membrana lipidică manifesta de asemenea o tendinta de polarizare (distributie inegala) a proteinelor pe cele două fete

In 1972 Singer şi Nicholson au propus modelul mozaicului fluid al membranei icircn care proteinele executa miscari laterale aceste miscari fiind influentate de fluiditatea membranei Modelul mozaicului fluid este icircn mare parte valabil cu exceptia faptului ca proteinele nu se misca haotic Cauzele pentru care miscarile proteinelor icircn fluidul membranar sunt limitate sunt cantonarea icircn anumite domenii membranare jonctiunile celulare agregarea şi cresterea masei stabilizarea prin legarea de elemente externe pe fata citoplasmica unele proteine sunt legate de componente ale citoscheletului

Miscarea glicoproteinelor este la racircndul lor limitata de necesitatea ca resturile glucidice să proemine pe fata extracelulară a membranei

3

Reprezentarea modelului mozaicului fluid al membranei celulare

314 Fluiditatea membranei

Este o proprietate fundamentala a membranelor plasmatice şi a celor care delimiteaza organitele celulare permitand deplasarea proteinelor icircn bistratul lipidic miscari care sunt importante pentru indeplinirea multor functii celulare Fluiditatea membranelor este influenţata de urmatorii factori a) Natura icircmpachetarii şi a interacţiunilor dintre lanturile de acizi grasi (AG) aparţinand

fosfolipidelor membranare Lanturile lungi ale acizilor graşi interacţionează mai puternic intre ele rezultacircnd o icircmpachetare stransă deci o fluiditate mai redusă decat icircn cazul portiunilor membranare cu lanturi scurte de AG Prin creşterea temperaturii se poate de

asemenea creşte fluiditatea membranei (legaturile duble trans se rotesc cu 120o) Există de asemenea o relaţie direct proportională icircntre temperatura de topire (Tm) şi lungimea lanţurilor acil Lanturile AG nesaturaţi cu legături duble cis nu se impachetează strans rezultacircnd o creştere a fluidităţii şi scădere a Tm Cu cacirct este mai mare numărul de legături duble cu atăt Tm este mai scazută iar fluiditatea mai ridicată

b) La animale colesterolul se insinueaza intre lanturile de AG reducandu-le mobilitatea şi crescand rigiditatea membranei Aceasta este o adaptare a membranei animale icircn lipsa peretelui celular (cu rol protector la plante şi bacterii) Cercetari recente arata ca efectul colesterolului asupra mobilitatii moleculelor membranare este diferit icircn funcţie de distanta fata de suprafaţa membranei şi de temperatura La temperaturi ridicate (peste temperatura de tranzitie a fosfolipidelor) colesterolul miscoreaza fluiditatea membranei datorita scheletului rigid al inelelor sterolice icircn timp ce la temperaturi joase colesterolul mentine distanta dintre

4

capetele hidofope ale lipidelor diminuand interacţiunile dintre acestea şi contribuind la ridicarea gradului de fluiditate a membranei

32 Rolul membranei celulare ndash procese de transport

Membrana plasmatică are trei proprietati fundamentale 1 Este un mozaic fluid permitand miscarea limitata a proteinelor 2 Este polarizata avand o distributie diferita de lipide şi proteine de o parte şi alta a ei 3 Are permeabilitate selectivă permitand trecerea unor substanţe şi blocand tranzitul

altora

Membrana plasmatică indeplineste mai multe roluri vitale pentru celula 1048633 Compartimentalizarea celulelor eucariote (aspect ce va fi discutat icircn capitolele

următoare) 1048633 Suport pentru desfăşurarea unor reacţii biochimice 1048633 Bariera de protectie cu permeabilitate selectivă 1048633 Transportul nutrientilor (ioni molecule organice) 1048633 Mediaza raspunsul la semnalele din mediul extern sau intern 1048633 Participa la comunicarea intercelulară

321 Permeabilitatea selectivă a membranei pentru neelectroliti şi ioni

Membrana lipidică bistratificata nu este o structura inerta impenetrabila ci este un sistem dinamic care permite trecerea activa sau pasiva a unor categorii de compuşi icircn general prin permeabilitate se pot intelege fenomenele de difuzie simpla nefacilitata de alte structuri decat de cea a membranei propriu-zise Difuzia simpla Proprietatea prin care membranele lipidice bistratificate permite trecerea unor substanţe şi blocheaza tranzitul altor substanţe se numeste permeabilitate selectivă Aceasta proprietate a fost descoperita experimental mai intai icircn modele artificiale icircn bistraturi lipidice apoi icircn modele naturale icircn membranele plasmatice Primul care a enuntat o regula privind permeabilitatea bistratelor lipidice a fost Overton (1902) coeficientii de permeabilitate se coreleaza cu coeficientii de partitie uleiapa ai diferitelor substanţe Cu alte cuvinte cu cat o substanta este mai hidrofobă cu atat patrund icircn celula cu o viteza mai mare Termeni utilizati icircn relatie cu permeabilitatea bistratelor lipidice

o Coeficientul de permeabilitate este raportul dintre fluxul (J cantitatea de substanta ce traversează suprafaţa membranei icircn unitatea de timp

molmiddotcm-2middots-1) şi diferenta de concentraţie (Δc a substanţei de pe

ambele fete ale membranei molmiddotcm-3) astfel P =J

Δc(cms)

o Coeficientul de difuzie D este direct proportionala cu coeficientul de

permeabilitate P şi cu grosimea membranei x D =P∙ x(cm2s)

5

o Coeficientul de partitie (Kp) reprezintă raportul de distributie a

substanţei intre membrana (cm) şi solutie (c) Kp = cm

co Daca integram cele trei ecuatii de mai sus pentru a le aplica unei

membrane lipidice bistratificate obtinem următoarea relatie P =Kp∙ D

x

coeficientul de permeabilitate fiind produsul dintre coeficientii de partitie şi difuzie icircn membrana impartit la grosimea membranei

Cea mai importanta substanta neelectrolitica cu molecula mica este apa Membranele biologice sunt partial permeabile pentru apa care traversează bistratul lipidic prin difuzie

libera (avand un coeficient de permeabilitate de 10-3-10-4 cms) Difuzia libera este un proces pasiv care nu necesita consum de energie Exista cazuri icircn care circulatia apei de o parte pe alta a membranei este controlata de către celula prin intermediul aquaporinelor (proteine-canal pentru apa) din membrana eritrocitelor (hematii sau globule rosii din sange)

In ceea ce priveste electrolitii masuratorile au evidenţiat gradul ridicat de impermeabilitate

a membranelor lipidice artificiale pentru cationi (cu coeficienti de permeabilitate de cca 10-

12-10-13 cms) Prezenta proteinelor icircn membranele naturale determina o crestere considerabila (de pacircnă la 1000 de ori) a permeatiei ionilor Acest lucru dovedeste implicarea proteinelor icircn transportul electrolitilor transport care nu se mai realizează icircn mod dominant prin difuzie pasiva ca icircn cazul apei ci prin transport activ Principala bariera icircn calea difuziei pasive a ionilor o constituie cel mai probabil interiorul hidrofob al bistratului lipidic Cresterea temperaturii urmata de o fluidizare mai pronuntata a membranelor lipidice artificiale determina şi o crestere a permeabilitatii pentru ioni Pe de alta parte anionii sunt mult mai permeanti decat cationii datorita potentialului de dipol care este pozitiv şi care favorizeaza trecerea prin scaderea energiei de transfer al anionilor

Cel mai permeant anion anorganic este Cl- din motive inca discutate

In privinta protonilor (H+) respectiv a ionilor hidroxil (HO-) s-a constatat ca icircn membranele

artificiale acestia prezintă proprietati de permeare apropiate cu ale apei (P=10-4-10-6 cms) icircn funcţie de compozitia lipidică In schimb membranele naturale prezintă o permeabilitate

şi mai mare (10-3 cms) fapt care indica din nou implicarea proteinelor icircn transportul acestor ioni

Difuzia simpla (a apei) are o contributie esenţiala la realizarea izotonicitatii celulelor icircn raport cu mediul extern

322 Transportul mediat de structuri speciale

Transportul diferitelor substanţe prin membrana celulară poate fi mediat de o serie de molecule numite canale şi transportori Daca transportul nu necesita consum de energie

6

decurge icircn sensul gradienilor electrochimici atunci se numeste transport pasiv (ex difuzia simpla şi difuzia facilitata) icircn schimb daca transportul reclama consum de energie şi se desfasoara impotriva gradientului chimic sau electric se numeste activ Difuzia facilitata Unii compuşi precum apa dar şi alti compuşi neelectrolitici precum glicerolul sau ureea protonii ionii hidroxil şi icircntr-o foarte mica masura anionii şi cationii pot difuza liber prin bistratul lipidic Exista icircnsă şi alte cai pasive neconsumatoare de energie prin care se realizează transportul substanţelor de o parte şi alta a membranei icircn sensul gradientilor de concentraţie şi anume prin intermediul ionoforilor şi a proteinelor-canal Ionoforii sunt polipeptide din categoria antibioticelor capabili de a realiza trecerea selectivă a unor ioni prin membrane lipidice Ionoforii incapsuleaza de obicei ionii printr-un proces de ciclizare sau semiciclizare şi transporta prin membrana conform gradientului electrochimic printr-un proces de dute-vino intre fetele membranei Exemple de ionofori ciclici şi ionii

transportati sunt valinomicina (K+) şi nigericina (K+ şi H+)

Alti ionofori sunt capabili de transportul ionilor prin asamblarea lor sub forma de canale sau pori membranari (gramicidina nistatina amfotericina) Ionoforii sunt icircnsă substanţe de origine artificiala şi au semnificatie experimentala icircn studiul fenomenelor de transport la nivelul membranelor O aplicatie practica direct resimtita de noi este efectul antibiotic al acestor ionofori prin permeabilizarea totala a celulelor bacteriene patogene cu consecinte letale pentru acestea (dezechilibru ionic poate fi fatal celulei)

O alta categorie de molecule implicate icircn difuzia facilitata a ionilor şi apei este cea a proteinelor-canal Ei sunt transportori naturali prezenti icircn membrane şi care poti fi operati icircn cateva moduri

Canale ope a)Canale operate de voltaj (voltage-gated channels) se deschid sau inchid ca raspuns la o schimbare a potentialului electric transmembranar icircn aceasta categorie intra

canalele de Na+ K+ şi Ca+ din membranele excitabile (din muschi şi sistemul nervos)

b)Canale operate chimic care raspund unui stimul chimic (hormoni sau neurotransmitatori) Aceste canale se gasesc la nivelul membranelor postsinaptice din jonctiunile neuromusculare

c)Canale care nu sunt reglate de un factor anume şi canale care sunt operate fizic (de exemplu sub acţiunea presiunii osmotice) Unii cercetatori le incadreaza icircn categoria porilor deoarece nu sunt considerate canale propriu-zise

In concluzie functia majora a canalelor ionice este de a facilita si de a regla pentru o foarte scurta perioada de timp miscarea ionilor in sensul gradientului de concentratie stabilit initial de o parte si alta a membranei plasmatice (celulare) sau membranei organitelor intracelulare aceasta disipare temporara a gradientului ionic determina o perturbare a functiilor celulare sau apare ca o necesitate de folosire predominanta a canalelor ionice

7

pentru traducerea semnalelor si transferul de informatie (ex la nivelul sinapselor nervoase)

O a treia categorie de molecule care mediaza transportul pasiv al substanţelor este cea a proteinelor-transportor (carriers sau carausi) Ele realizează trecerea unidirectionala icircn sensul gradientului chimic (pentru o specie neutra) sau electric (ioni) a unei singure substanţe (transport uniport)

Din punct de vedere enzimatic difuzia facilitata mediaţa de transportori are o cinetica de tip Michaelis-Menten fiind caracterizata de o viteza maxima (Vmax) şi o constanta

Michaelis (KM) spre deosebire de difuzia simpla care are o cinetica liniara

Exemple de transportori pasivi de tipul proteinelor-caraus sunt transportorul glucozei din membrana eritrocitara şi transportorii unor aminoacizi din membrana bacteriana

Cinetica difuziei simple şi facilitate

8

Difuzia facilitata a glucozei icircn care proteina-

caraus adopta mai multe stari conformaţionale

323 Transportul activ

Cand transportul unei substanţe este dependent de transportul altei substanţe afirmam ca transportul este cuplat Exista două categorii de transport cuplat antiport (contratransport sau difuzia de schimb substanţele sunt transportate icircn sens opus) şi simport (cotransport ambele specii chimice sunt transportate icircn acelasi sens) Teoretic transportul cuplat poate fi pasiv ca icircn cazul unor ionofori care realizează de

exemplul contratransportul K+H+ (nigericina) icircn realitate icircn membranele naturale vii diferenta (gradientul) electrochimic este mentinut prin procese consumatoare de energie iar simportul sau antiportul unor compuşi icircn sensul gradientului electrochimic este posibil numai icircn condiţiile icircn care celula mentine activ acest gradient Icircn acest caz putem spune ca transportul este cuplat secundar cu energia (transport activ secundar) Pe de alta parte o serie de transportori proteici realizează procese de transport cuplate direct cu consumul de energie (in speta cu hidroliza legaturilor macroergice ale ATP) Icircn acest caz transportorii sunt cuplati primar cu energia (transportori activ primar sau ldquopompe primarerdquo)

3231 Transportul activ primar

In transportul activ primar sunt implicate proteine care cupleaza translocarea unei substanţe (ioni sau molecule) impotriva gradientului chimic cu o sursa de energie Aceste surse de energie pot fi 1 Hidroliza ATP iar icircn acest caz transportorii proteici se numesc pompe (ionice) activate

de ATP Astfel de pompe cuplate cu activitatea ATP hidrolazica (ATPazica) sunt

exemplificate cel mai bine de Na+-K+-ATPaza care funcţionează ca transportor activ al

ionilor de Na+ dintr-un compartiment intracelular (cu concentraţie mica de Na+) spre

compartimentul extracelular (cu concentraţie ridicata de Na+) la schimb cu ionii de K+

9

care sunt translocati dinspre o concentraţie redusa din fluidul extracelular spre o

concentraţie de K+ ridicata din compartimentul intracelular (citosolic) Aceasta pompa este una dintre sursele majore de mentinere a potentialului electrochimic transmembranar

2 Razele luminoase Proteinele a caror funcţie transportoare este energizata sub acţiunea luminii se numesc ldquopompe (ionice) activate de luminardquo Pompele activate de lumina se intalnesc icircn membranele unor bacterii (de exemplu proteinele numite halorodopsina şi bacteriorodopsina)

Pompele ATPazice Transportorii primari de tipul ATPazelor indeplinesc roluri vitale pentru celula şi sunt raspanditi icircn toate organismele vii (procariote şi eucariote celule vegetale şi animale deopotriva) Pompele activate de ATP pot fi impartite icircn patru clase icircn funcţie de caracteristicile lor structural-functionale P-ATPaze V-ATPaze F-ATPaze şi proteine de tip ABC A P-ATPazele sunt o clasa de transportori inruditi genetic şi structural Ele includ

antiportorul Na+-K+-ATPaza (al carui rol a fost explicat mai sus) antiportorul K+-H+-ATPaza (implicat icircn generarea aciditatii din stomac prin transportul de protoni spre

exteriorul celulei icircn cavitatea stomacala la schimb cu ionii de K+ care patrund icircn celula)

şi Ca2+-ATPaza (prezenta icircn membrana celulară şi membrana reticului endoplasmic

transporta ionii de Ca2+ din citosol spre exteriorul celulei sau spre interiorul RE

mentinand concentraţia Ca2+ din citosol la un nivel redus astfel ca acesti ioni pot actiona ca semnale celulare)

P-ATPazele sunt astfel denumite (ldquoPrdquo) deoarece translocarea ionilor de o parte pe alta a membranei implica o modificare temporara covalenta a proteinei cu transferul fosfatului de pe ATP la gruparea carboxilica a acidului glutamatic (Glu) sau aspartic (Asp) din situsul activ Se formeaza o legătură cu energie inalta Icircntr-o etapă ulterioara fosfatul anorganic (Pi) este eliberat la fel şi ionul proteina revenind la starea initiala Pentru ca aceste proteine adopta două stari conformaţionale diferite (denumite E1 şi E2) ele au mai fost numite şi E1E2ATPaze

Mai jos va fi detaliaţa structura şi functionarea antiportorului Na+-K+-ATPaza Na+-K+-ATPaza Este un complex proteic membranar larg raspandit icircn celulele eucariote Se estimeaza ca circa 25 din totalul ATP citosolic din celulele umane icircn repaus este consumat de pompele de sodiu icircn vreme ce icircn celulele nervoase acest procent atinge 70 din ATP total

Na+-K+-ATPaza este un tetramer compus din patru subunităţi două subunităţi alfa (~113 kD) care sunt responsabile pentru transportul propriu-zis al ionilor şi de legarea ATP continand situsul de fosforilare şi două subunităţi mai mici beta (~35 kDa) Subunităţile beta sunt glicoproteine necesare activităţii complexului facilitand localizarea membranara şi activarea subunităţilor alfa

10

Transportul cationilor decurge prin intermediul unui ciclu de modificări conformaţionale datorate fosforilarii de la nivelul situsului activ din subunitatea alfa

bull Pompa cu ATP legat (starea conformaţionala E1) capteaza 3 ioni de Na+ de pe fata citosolică

bull ATP este hidrolizat fosfatul este transferat unei grupări carboxil din situsul de fosforilare aflat pe fata citosolică a pompei cu eliberare de ADP

bull Pricircntr-o modificare conformaţionala (starea E2) a carui mecanism este inca incert

pompa expune ionii de Na+ pe fata extracelulară unde ei sunt eliberati

bull Pompa leagă 2 ioni de K+ din mediul extracelular iar subunitatea alfa este defosforilata

bull ATP se leagă din nou iar pompa se reorienteaza eliberand ionii de K+ icircn citosol

bull Cu ATP legat de subunitatea alfa pompa (E1~ATP) este pregatita să lege ionii de Na+

iar ciclul se repeta

B V-ATPazele au fost initial identificate la eucariote şi mai exact icircn membrana vacuolelor (ldquoVrdquo) din celulele vegetale Ulterior V-ATPazele au fost descrise şi la bacterii Ele funcţionează ca pompe primare ce transporta protoni (in majoritatea cazurilor) sau ioni de

Na+ Ele contribuie la realizarea gradientilor transmembranari de protoni

C F-ATPazele se deosebesc de celelalte pompe ATPazice prin faptul ca sunt capabile nu numai de hidroliza ATP ci şi de sinteza ATP reprezentand enzime care contribuie la procesul de fosforilare (ldquoFrdquo) oxidativă (sinteza ATP cuplata cu respiratia) F-ATPazele sunt prezente la eucariote exclusiv icircn membrana mitocondriala şi cloroplastidiala interna icircn membranele bacteriilor şi arhebacteriilor (unde poarta numele de A-ATPaze) Desi funcţia principala este de a genera ATP pe seama gradientului electrochimic transmembranar susţinut icircn urma respiraţiei la unele bacteriui funcţia să este predominat hidrolazica generand potential electrochimic pe baza consumului de ATP Icircn laborator (in vitro) F-ATPazele pot functiona icircn ambele directii depinzand de condiţiile experimentale

11

D Proteinele transportoare de tip ABC (ATP-binding Cassetterdquo) au fost relativ recent descoperite şi reprezintă o clasa de proteine localizate atat icircn membrana plasmatică cat şi icircn membranele organitelor celulare Ele mediaza translocarea unor substrate variate ioni molecule organice (lipide acizi biliari conjugati glutationici şi glucuronici peptide mici) compuşi de sinteza (medicamente droguri) Majoritatea proteinelor ABC utilizează energia furnizata de hidroliza ATP (transport activ) icircnsă unele pot forma canale membranare specifice (de exemplu proteina CFTR reglatorul de conductanta transmembranara al fibrozei cistice care este un canal de clor) Aceste proteine sunt prezente la toate organismele vii de la bacterii la om (din cele peste 1000 de proteine ABC identificate 48 sunt tipic umane) Mutatii ale genelor ce codifică aceste proteine ABC au fost asociate cu numeroase maladii genetice (ex fibroza cistica) Avand posibilitatea de a lega şi transporta medicamente din şi inspre interiorul celulei proteinele ABC sunt raspunzatoare pentru esecul majoritatii tratamentelor medicale asupra bolnavilor de cancer care manifesta rezistenta la o serie de substanţe citotoxice (utilizate icircn chimioterapie) icircn rezistenta unor forme de malarie icircn dificultatea tratarii SIDA Aceste proteine ABC capabile de transportul medicamentelor şi apariţia rezistentei la tratamentele medicamentoase se numesc proteine MDR (ldquoMulti-drug resistancerdquo)

Un alt rol atribuit transportorilor de tip ABC este de facilitare a miscarii flip-flop (difuzie transversala) a lipidelor membranare şi de aceea aceste grup de proteine ABC se mai numesc flipaze dependente de ATP icircn general aceste translocaze de lipide transporta lipide din stratul intern pe fata externă a bistratului membranei cuplat cu transportul altor compuşi (acizi biliari medicamente)

Structura tipica a unei proteine de tip ABC constă din cel puţin 2 domenii transmembranare (TMD ldquoTransmembrane domainsrdquo) şi minimum 2 domenii de legare a ATP (ABC) Regiunile TMD ancoreaza proteina icircn membrana formand un por prin care trec o varietate remarcabila de substanţe Domeniul de legare al ATP este orientat spre fata citoplasmica şi la

12

nivelul ei se elibereaza energia ATP Nu se cunoaste modalitatea prin care energia este convertita de situsul ABC pentru a fi utilizată icircn transport şi nici mecanismul exact al transportului

Structura transportorilor de tip ABC icircn sectiune transversala (A) şi dispunerea peptidelor icircn spatiu (B)

Transportul activ secundar

Transportorii activi secundari cupleaza miscarea unei substanţe impotriva gradientului de concentraţie la schimb cu transportul altui ion icircn sensul gradientului sau de concentraţie Transportul activ secundar este intotdeauna un proces de co-transport fie de tip simport (ex

simportorii de Na+glucoza şi Na+aminoacizi) sau antiport (ex antiportorul Na+H+) Activitatea acestor transportori nu este asadar direct energizata de ATP ci indirect prin functionarea unor pompe primare de ATP care genereaza gradienti electrochimici Acesti gradienti constituie apoi motorul pentru transportorii secundari Cinetica transportului activ secundar este similara cu cea a difuziei facilitate La concentraţii foarte mari de substrat transportul este franat de lipsa unui număr suficient de proteine capabile să lege substratul existent Două exemple importante merita să fie amintite aici Simportorul Na+glucoza Transportorii secundari ai hexozelor sunt proteine transmembranare localizate icircn principal icircn celulele intestinale şi renale O semnificatie deosebita o au transportorii hexozelor (glucoza galactoza) de la polul apical

al celulelor din invelisul inestinal intern Simportorul Na+glucoza (prescurtat SGLUT) faciliteaza preluarea specifica a unei molecule de glucoza (si galactozei) din lumenul (cavitatea) intestinal(a) unde monozaharidele apar ca urmare a procesarii digestive a hranei

13

Glucoza este transportata din exteriorul celulei spre interior unde concentraţia acesteia este mult mai mare (impotriva gradientului de concentraţie) la schimb cu 2 ioni de sodiu Acest transport este posibil numai cu consum de energie iar forta motrice a functionarii simportului

este gradientul chimic de Na+ stabilit icircn urma functionarii pompelor primare dependente de ATP Glucoza este ulterior ldquodescarcatardquo icircn sange de unde ajunge la toate celulele organismului asigurand nutritia lor

Antiportorul Na+H+O parte din echilibrul ionic al celulelor este mentinut şi cu ajutorul unei clase de proteine

care transporta ionii de sodiu la schimb cu protoni Acestia sunt antiportorii Na+H+ (sau prescurtat Nha) care sunt prezenti icircn membrana plasmatică a celulelor bacteriene la celulele vegetale şi animale Forta motrice pentru functionarea acestor antiportori il reprezintă gradientul de pH generat icircn urma activităţii lantului respirator sau icircn urma functionarii unor

pompe primare de H+ Astfel 2 protoni sunt introdusi icircn citosol (in sensul gradientului de concentraţie) la schimb cu 3 ioni de sodiu care sunt expulzati impotriva gradientului de concentraţie Acest antiport are o semnificatie deosebita icircn cursul adaptarii la condiţii saline cacircnd concentraţia de saruri (NaCl sau NaHCO3Na2CO3) din mediul extern este foarte

mare Celula bacteriana şi vegetala au tendinta de a mentine concentraţia internă de ioni de sodiu icircn limite normale tocmai prin activitatea intensa a acestor antiportori

In celulele animale antiportorii de Na+H+ sunt distribuiti predominant la nivelul polului apical al celulelor renale implicate icircn formarea urinei Aceste celule au capacitatea de

a ldquorecuperardquo Na+ din urina (la nivelul membranei apicale) printr-un mecanism activ

secundar de simport Na+H+ Preluarea sodiului este posibila datorita ldquoaciditatiirdquo mediului intern celular care constituie motorul de deplasare a ionilor de sodiu spre interior (impotriva gradientului de concentraţie) Ionii de sodiu sunt mai departe transportati spre sange pentru a

se asigura tonicitatea acestuia prin polul bazal printr-un antiportor secundar Na+HCO3-

Mecanismele de transport ale Na+ K+ H+ apei glucozei sunt icircnsă mult mai subtile la acest nivel celulele renale avand capacitatea de a orienta migrarea acestor compuşi pentru asigurarea unui echilibru chimic electric şi de pH intre sange şi urina Orice dezechilibru genetic şi metabolic la acest nivel declanseaza boli ale rinichiului numite nefropatii şi boli ale sistemului cardiovascular (ex hipertensiune)

14

  • Permeabilitate şi transport
    • 31 Structura membranei celulare
      • 311 Lipidele membranare
      • 312 Proteinele membranare
      • 314 Fluiditatea membranei
        • 32 Rolul membranei celulare ndash procese de transport
          • 321 Permeabilitatea selectivă a membranei pentru neelectroliti şi ioni
          • 322 Transportul mediat de structuri speciale
          • 323 Transportul activ
          • 3231 Transportul activ primar
          • Transportul activ secundar
Page 3: Permeabilitate şi transport

citoplasmica cu alte cuvinte strabat membrana pe toata grosimea ei Aceste proteine pot prezenta capetele C (carboxi -COOH) respectiv N (amino -NH2) orientate spre

aceeasi fata a membranei sau spre fete opuseb) Proteinele periferice (proteine solubile) interacţionează prin legaturi de hidrogen sau

forte electrostatice cu capetele polare ale lipidelor sau cu partea care proemineaza icircn afara membranei a proteinelor integrale

Dispunerea proteinelor icircn membrana lipidică

313 Miscarea proteinelor icircn membrane

La fel ca lipidele proteinele nu sunt imobilizate icircn bistratul lipidic ci executa o serie de miscari Cea mai improbabila miscare este cea de flip-flop care este puternic restrictionata Din aceast cauza membrana lipidică manifesta de asemenea o tendinta de polarizare (distributie inegala) a proteinelor pe cele două fete

In 1972 Singer şi Nicholson au propus modelul mozaicului fluid al membranei icircn care proteinele executa miscari laterale aceste miscari fiind influentate de fluiditatea membranei Modelul mozaicului fluid este icircn mare parte valabil cu exceptia faptului ca proteinele nu se misca haotic Cauzele pentru care miscarile proteinelor icircn fluidul membranar sunt limitate sunt cantonarea icircn anumite domenii membranare jonctiunile celulare agregarea şi cresterea masei stabilizarea prin legarea de elemente externe pe fata citoplasmica unele proteine sunt legate de componente ale citoscheletului

Miscarea glicoproteinelor este la racircndul lor limitata de necesitatea ca resturile glucidice să proemine pe fata extracelulară a membranei

3

Reprezentarea modelului mozaicului fluid al membranei celulare

314 Fluiditatea membranei

Este o proprietate fundamentala a membranelor plasmatice şi a celor care delimiteaza organitele celulare permitand deplasarea proteinelor icircn bistratul lipidic miscari care sunt importante pentru indeplinirea multor functii celulare Fluiditatea membranelor este influenţata de urmatorii factori a) Natura icircmpachetarii şi a interacţiunilor dintre lanturile de acizi grasi (AG) aparţinand

fosfolipidelor membranare Lanturile lungi ale acizilor graşi interacţionează mai puternic intre ele rezultacircnd o icircmpachetare stransă deci o fluiditate mai redusă decat icircn cazul portiunilor membranare cu lanturi scurte de AG Prin creşterea temperaturii se poate de

asemenea creşte fluiditatea membranei (legaturile duble trans se rotesc cu 120o) Există de asemenea o relaţie direct proportională icircntre temperatura de topire (Tm) şi lungimea lanţurilor acil Lanturile AG nesaturaţi cu legături duble cis nu se impachetează strans rezultacircnd o creştere a fluidităţii şi scădere a Tm Cu cacirct este mai mare numărul de legături duble cu atăt Tm este mai scazută iar fluiditatea mai ridicată

b) La animale colesterolul se insinueaza intre lanturile de AG reducandu-le mobilitatea şi crescand rigiditatea membranei Aceasta este o adaptare a membranei animale icircn lipsa peretelui celular (cu rol protector la plante şi bacterii) Cercetari recente arata ca efectul colesterolului asupra mobilitatii moleculelor membranare este diferit icircn funcţie de distanta fata de suprafaţa membranei şi de temperatura La temperaturi ridicate (peste temperatura de tranzitie a fosfolipidelor) colesterolul miscoreaza fluiditatea membranei datorita scheletului rigid al inelelor sterolice icircn timp ce la temperaturi joase colesterolul mentine distanta dintre

4

capetele hidofope ale lipidelor diminuand interacţiunile dintre acestea şi contribuind la ridicarea gradului de fluiditate a membranei

32 Rolul membranei celulare ndash procese de transport

Membrana plasmatică are trei proprietati fundamentale 1 Este un mozaic fluid permitand miscarea limitata a proteinelor 2 Este polarizata avand o distributie diferita de lipide şi proteine de o parte şi alta a ei 3 Are permeabilitate selectivă permitand trecerea unor substanţe şi blocand tranzitul

altora

Membrana plasmatică indeplineste mai multe roluri vitale pentru celula 1048633 Compartimentalizarea celulelor eucariote (aspect ce va fi discutat icircn capitolele

următoare) 1048633 Suport pentru desfăşurarea unor reacţii biochimice 1048633 Bariera de protectie cu permeabilitate selectivă 1048633 Transportul nutrientilor (ioni molecule organice) 1048633 Mediaza raspunsul la semnalele din mediul extern sau intern 1048633 Participa la comunicarea intercelulară

321 Permeabilitatea selectivă a membranei pentru neelectroliti şi ioni

Membrana lipidică bistratificata nu este o structura inerta impenetrabila ci este un sistem dinamic care permite trecerea activa sau pasiva a unor categorii de compuşi icircn general prin permeabilitate se pot intelege fenomenele de difuzie simpla nefacilitata de alte structuri decat de cea a membranei propriu-zise Difuzia simpla Proprietatea prin care membranele lipidice bistratificate permite trecerea unor substanţe şi blocheaza tranzitul altor substanţe se numeste permeabilitate selectivă Aceasta proprietate a fost descoperita experimental mai intai icircn modele artificiale icircn bistraturi lipidice apoi icircn modele naturale icircn membranele plasmatice Primul care a enuntat o regula privind permeabilitatea bistratelor lipidice a fost Overton (1902) coeficientii de permeabilitate se coreleaza cu coeficientii de partitie uleiapa ai diferitelor substanţe Cu alte cuvinte cu cat o substanta este mai hidrofobă cu atat patrund icircn celula cu o viteza mai mare Termeni utilizati icircn relatie cu permeabilitatea bistratelor lipidice

o Coeficientul de permeabilitate este raportul dintre fluxul (J cantitatea de substanta ce traversează suprafaţa membranei icircn unitatea de timp

molmiddotcm-2middots-1) şi diferenta de concentraţie (Δc a substanţei de pe

ambele fete ale membranei molmiddotcm-3) astfel P =J

Δc(cms)

o Coeficientul de difuzie D este direct proportionala cu coeficientul de

permeabilitate P şi cu grosimea membranei x D =P∙ x(cm2s)

5

o Coeficientul de partitie (Kp) reprezintă raportul de distributie a

substanţei intre membrana (cm) şi solutie (c) Kp = cm

co Daca integram cele trei ecuatii de mai sus pentru a le aplica unei

membrane lipidice bistratificate obtinem următoarea relatie P =Kp∙ D

x

coeficientul de permeabilitate fiind produsul dintre coeficientii de partitie şi difuzie icircn membrana impartit la grosimea membranei

Cea mai importanta substanta neelectrolitica cu molecula mica este apa Membranele biologice sunt partial permeabile pentru apa care traversează bistratul lipidic prin difuzie

libera (avand un coeficient de permeabilitate de 10-3-10-4 cms) Difuzia libera este un proces pasiv care nu necesita consum de energie Exista cazuri icircn care circulatia apei de o parte pe alta a membranei este controlata de către celula prin intermediul aquaporinelor (proteine-canal pentru apa) din membrana eritrocitelor (hematii sau globule rosii din sange)

In ceea ce priveste electrolitii masuratorile au evidenţiat gradul ridicat de impermeabilitate

a membranelor lipidice artificiale pentru cationi (cu coeficienti de permeabilitate de cca 10-

12-10-13 cms) Prezenta proteinelor icircn membranele naturale determina o crestere considerabila (de pacircnă la 1000 de ori) a permeatiei ionilor Acest lucru dovedeste implicarea proteinelor icircn transportul electrolitilor transport care nu se mai realizează icircn mod dominant prin difuzie pasiva ca icircn cazul apei ci prin transport activ Principala bariera icircn calea difuziei pasive a ionilor o constituie cel mai probabil interiorul hidrofob al bistratului lipidic Cresterea temperaturii urmata de o fluidizare mai pronuntata a membranelor lipidice artificiale determina şi o crestere a permeabilitatii pentru ioni Pe de alta parte anionii sunt mult mai permeanti decat cationii datorita potentialului de dipol care este pozitiv şi care favorizeaza trecerea prin scaderea energiei de transfer al anionilor

Cel mai permeant anion anorganic este Cl- din motive inca discutate

In privinta protonilor (H+) respectiv a ionilor hidroxil (HO-) s-a constatat ca icircn membranele

artificiale acestia prezintă proprietati de permeare apropiate cu ale apei (P=10-4-10-6 cms) icircn funcţie de compozitia lipidică In schimb membranele naturale prezintă o permeabilitate

şi mai mare (10-3 cms) fapt care indica din nou implicarea proteinelor icircn transportul acestor ioni

Difuzia simpla (a apei) are o contributie esenţiala la realizarea izotonicitatii celulelor icircn raport cu mediul extern

322 Transportul mediat de structuri speciale

Transportul diferitelor substanţe prin membrana celulară poate fi mediat de o serie de molecule numite canale şi transportori Daca transportul nu necesita consum de energie

6

decurge icircn sensul gradienilor electrochimici atunci se numeste transport pasiv (ex difuzia simpla şi difuzia facilitata) icircn schimb daca transportul reclama consum de energie şi se desfasoara impotriva gradientului chimic sau electric se numeste activ Difuzia facilitata Unii compuşi precum apa dar şi alti compuşi neelectrolitici precum glicerolul sau ureea protonii ionii hidroxil şi icircntr-o foarte mica masura anionii şi cationii pot difuza liber prin bistratul lipidic Exista icircnsă şi alte cai pasive neconsumatoare de energie prin care se realizează transportul substanţelor de o parte şi alta a membranei icircn sensul gradientilor de concentraţie şi anume prin intermediul ionoforilor şi a proteinelor-canal Ionoforii sunt polipeptide din categoria antibioticelor capabili de a realiza trecerea selectivă a unor ioni prin membrane lipidice Ionoforii incapsuleaza de obicei ionii printr-un proces de ciclizare sau semiciclizare şi transporta prin membrana conform gradientului electrochimic printr-un proces de dute-vino intre fetele membranei Exemple de ionofori ciclici şi ionii

transportati sunt valinomicina (K+) şi nigericina (K+ şi H+)

Alti ionofori sunt capabili de transportul ionilor prin asamblarea lor sub forma de canale sau pori membranari (gramicidina nistatina amfotericina) Ionoforii sunt icircnsă substanţe de origine artificiala şi au semnificatie experimentala icircn studiul fenomenelor de transport la nivelul membranelor O aplicatie practica direct resimtita de noi este efectul antibiotic al acestor ionofori prin permeabilizarea totala a celulelor bacteriene patogene cu consecinte letale pentru acestea (dezechilibru ionic poate fi fatal celulei)

O alta categorie de molecule implicate icircn difuzia facilitata a ionilor şi apei este cea a proteinelor-canal Ei sunt transportori naturali prezenti icircn membrane şi care poti fi operati icircn cateva moduri

Canale ope a)Canale operate de voltaj (voltage-gated channels) se deschid sau inchid ca raspuns la o schimbare a potentialului electric transmembranar icircn aceasta categorie intra

canalele de Na+ K+ şi Ca+ din membranele excitabile (din muschi şi sistemul nervos)

b)Canale operate chimic care raspund unui stimul chimic (hormoni sau neurotransmitatori) Aceste canale se gasesc la nivelul membranelor postsinaptice din jonctiunile neuromusculare

c)Canale care nu sunt reglate de un factor anume şi canale care sunt operate fizic (de exemplu sub acţiunea presiunii osmotice) Unii cercetatori le incadreaza icircn categoria porilor deoarece nu sunt considerate canale propriu-zise

In concluzie functia majora a canalelor ionice este de a facilita si de a regla pentru o foarte scurta perioada de timp miscarea ionilor in sensul gradientului de concentratie stabilit initial de o parte si alta a membranei plasmatice (celulare) sau membranei organitelor intracelulare aceasta disipare temporara a gradientului ionic determina o perturbare a functiilor celulare sau apare ca o necesitate de folosire predominanta a canalelor ionice

7

pentru traducerea semnalelor si transferul de informatie (ex la nivelul sinapselor nervoase)

O a treia categorie de molecule care mediaza transportul pasiv al substanţelor este cea a proteinelor-transportor (carriers sau carausi) Ele realizează trecerea unidirectionala icircn sensul gradientului chimic (pentru o specie neutra) sau electric (ioni) a unei singure substanţe (transport uniport)

Din punct de vedere enzimatic difuzia facilitata mediaţa de transportori are o cinetica de tip Michaelis-Menten fiind caracterizata de o viteza maxima (Vmax) şi o constanta

Michaelis (KM) spre deosebire de difuzia simpla care are o cinetica liniara

Exemple de transportori pasivi de tipul proteinelor-caraus sunt transportorul glucozei din membrana eritrocitara şi transportorii unor aminoacizi din membrana bacteriana

Cinetica difuziei simple şi facilitate

8

Difuzia facilitata a glucozei icircn care proteina-

caraus adopta mai multe stari conformaţionale

323 Transportul activ

Cand transportul unei substanţe este dependent de transportul altei substanţe afirmam ca transportul este cuplat Exista două categorii de transport cuplat antiport (contratransport sau difuzia de schimb substanţele sunt transportate icircn sens opus) şi simport (cotransport ambele specii chimice sunt transportate icircn acelasi sens) Teoretic transportul cuplat poate fi pasiv ca icircn cazul unor ionofori care realizează de

exemplul contratransportul K+H+ (nigericina) icircn realitate icircn membranele naturale vii diferenta (gradientul) electrochimic este mentinut prin procese consumatoare de energie iar simportul sau antiportul unor compuşi icircn sensul gradientului electrochimic este posibil numai icircn condiţiile icircn care celula mentine activ acest gradient Icircn acest caz putem spune ca transportul este cuplat secundar cu energia (transport activ secundar) Pe de alta parte o serie de transportori proteici realizează procese de transport cuplate direct cu consumul de energie (in speta cu hidroliza legaturilor macroergice ale ATP) Icircn acest caz transportorii sunt cuplati primar cu energia (transportori activ primar sau ldquopompe primarerdquo)

3231 Transportul activ primar

In transportul activ primar sunt implicate proteine care cupleaza translocarea unei substanţe (ioni sau molecule) impotriva gradientului chimic cu o sursa de energie Aceste surse de energie pot fi 1 Hidroliza ATP iar icircn acest caz transportorii proteici se numesc pompe (ionice) activate

de ATP Astfel de pompe cuplate cu activitatea ATP hidrolazica (ATPazica) sunt

exemplificate cel mai bine de Na+-K+-ATPaza care funcţionează ca transportor activ al

ionilor de Na+ dintr-un compartiment intracelular (cu concentraţie mica de Na+) spre

compartimentul extracelular (cu concentraţie ridicata de Na+) la schimb cu ionii de K+

9

care sunt translocati dinspre o concentraţie redusa din fluidul extracelular spre o

concentraţie de K+ ridicata din compartimentul intracelular (citosolic) Aceasta pompa este una dintre sursele majore de mentinere a potentialului electrochimic transmembranar

2 Razele luminoase Proteinele a caror funcţie transportoare este energizata sub acţiunea luminii se numesc ldquopompe (ionice) activate de luminardquo Pompele activate de lumina se intalnesc icircn membranele unor bacterii (de exemplu proteinele numite halorodopsina şi bacteriorodopsina)

Pompele ATPazice Transportorii primari de tipul ATPazelor indeplinesc roluri vitale pentru celula şi sunt raspanditi icircn toate organismele vii (procariote şi eucariote celule vegetale şi animale deopotriva) Pompele activate de ATP pot fi impartite icircn patru clase icircn funcţie de caracteristicile lor structural-functionale P-ATPaze V-ATPaze F-ATPaze şi proteine de tip ABC A P-ATPazele sunt o clasa de transportori inruditi genetic şi structural Ele includ

antiportorul Na+-K+-ATPaza (al carui rol a fost explicat mai sus) antiportorul K+-H+-ATPaza (implicat icircn generarea aciditatii din stomac prin transportul de protoni spre

exteriorul celulei icircn cavitatea stomacala la schimb cu ionii de K+ care patrund icircn celula)

şi Ca2+-ATPaza (prezenta icircn membrana celulară şi membrana reticului endoplasmic

transporta ionii de Ca2+ din citosol spre exteriorul celulei sau spre interiorul RE

mentinand concentraţia Ca2+ din citosol la un nivel redus astfel ca acesti ioni pot actiona ca semnale celulare)

P-ATPazele sunt astfel denumite (ldquoPrdquo) deoarece translocarea ionilor de o parte pe alta a membranei implica o modificare temporara covalenta a proteinei cu transferul fosfatului de pe ATP la gruparea carboxilica a acidului glutamatic (Glu) sau aspartic (Asp) din situsul activ Se formeaza o legătură cu energie inalta Icircntr-o etapă ulterioara fosfatul anorganic (Pi) este eliberat la fel şi ionul proteina revenind la starea initiala Pentru ca aceste proteine adopta două stari conformaţionale diferite (denumite E1 şi E2) ele au mai fost numite şi E1E2ATPaze

Mai jos va fi detaliaţa structura şi functionarea antiportorului Na+-K+-ATPaza Na+-K+-ATPaza Este un complex proteic membranar larg raspandit icircn celulele eucariote Se estimeaza ca circa 25 din totalul ATP citosolic din celulele umane icircn repaus este consumat de pompele de sodiu icircn vreme ce icircn celulele nervoase acest procent atinge 70 din ATP total

Na+-K+-ATPaza este un tetramer compus din patru subunităţi două subunităţi alfa (~113 kD) care sunt responsabile pentru transportul propriu-zis al ionilor şi de legarea ATP continand situsul de fosforilare şi două subunităţi mai mici beta (~35 kDa) Subunităţile beta sunt glicoproteine necesare activităţii complexului facilitand localizarea membranara şi activarea subunităţilor alfa

10

Transportul cationilor decurge prin intermediul unui ciclu de modificări conformaţionale datorate fosforilarii de la nivelul situsului activ din subunitatea alfa

bull Pompa cu ATP legat (starea conformaţionala E1) capteaza 3 ioni de Na+ de pe fata citosolică

bull ATP este hidrolizat fosfatul este transferat unei grupări carboxil din situsul de fosforilare aflat pe fata citosolică a pompei cu eliberare de ADP

bull Pricircntr-o modificare conformaţionala (starea E2) a carui mecanism este inca incert

pompa expune ionii de Na+ pe fata extracelulară unde ei sunt eliberati

bull Pompa leagă 2 ioni de K+ din mediul extracelular iar subunitatea alfa este defosforilata

bull ATP se leagă din nou iar pompa se reorienteaza eliberand ionii de K+ icircn citosol

bull Cu ATP legat de subunitatea alfa pompa (E1~ATP) este pregatita să lege ionii de Na+

iar ciclul se repeta

B V-ATPazele au fost initial identificate la eucariote şi mai exact icircn membrana vacuolelor (ldquoVrdquo) din celulele vegetale Ulterior V-ATPazele au fost descrise şi la bacterii Ele funcţionează ca pompe primare ce transporta protoni (in majoritatea cazurilor) sau ioni de

Na+ Ele contribuie la realizarea gradientilor transmembranari de protoni

C F-ATPazele se deosebesc de celelalte pompe ATPazice prin faptul ca sunt capabile nu numai de hidroliza ATP ci şi de sinteza ATP reprezentand enzime care contribuie la procesul de fosforilare (ldquoFrdquo) oxidativă (sinteza ATP cuplata cu respiratia) F-ATPazele sunt prezente la eucariote exclusiv icircn membrana mitocondriala şi cloroplastidiala interna icircn membranele bacteriilor şi arhebacteriilor (unde poarta numele de A-ATPaze) Desi funcţia principala este de a genera ATP pe seama gradientului electrochimic transmembranar susţinut icircn urma respiraţiei la unele bacteriui funcţia să este predominat hidrolazica generand potential electrochimic pe baza consumului de ATP Icircn laborator (in vitro) F-ATPazele pot functiona icircn ambele directii depinzand de condiţiile experimentale

11

D Proteinele transportoare de tip ABC (ATP-binding Cassetterdquo) au fost relativ recent descoperite şi reprezintă o clasa de proteine localizate atat icircn membrana plasmatică cat şi icircn membranele organitelor celulare Ele mediaza translocarea unor substrate variate ioni molecule organice (lipide acizi biliari conjugati glutationici şi glucuronici peptide mici) compuşi de sinteza (medicamente droguri) Majoritatea proteinelor ABC utilizează energia furnizata de hidroliza ATP (transport activ) icircnsă unele pot forma canale membranare specifice (de exemplu proteina CFTR reglatorul de conductanta transmembranara al fibrozei cistice care este un canal de clor) Aceste proteine sunt prezente la toate organismele vii de la bacterii la om (din cele peste 1000 de proteine ABC identificate 48 sunt tipic umane) Mutatii ale genelor ce codifică aceste proteine ABC au fost asociate cu numeroase maladii genetice (ex fibroza cistica) Avand posibilitatea de a lega şi transporta medicamente din şi inspre interiorul celulei proteinele ABC sunt raspunzatoare pentru esecul majoritatii tratamentelor medicale asupra bolnavilor de cancer care manifesta rezistenta la o serie de substanţe citotoxice (utilizate icircn chimioterapie) icircn rezistenta unor forme de malarie icircn dificultatea tratarii SIDA Aceste proteine ABC capabile de transportul medicamentelor şi apariţia rezistentei la tratamentele medicamentoase se numesc proteine MDR (ldquoMulti-drug resistancerdquo)

Un alt rol atribuit transportorilor de tip ABC este de facilitare a miscarii flip-flop (difuzie transversala) a lipidelor membranare şi de aceea aceste grup de proteine ABC se mai numesc flipaze dependente de ATP icircn general aceste translocaze de lipide transporta lipide din stratul intern pe fata externă a bistratului membranei cuplat cu transportul altor compuşi (acizi biliari medicamente)

Structura tipica a unei proteine de tip ABC constă din cel puţin 2 domenii transmembranare (TMD ldquoTransmembrane domainsrdquo) şi minimum 2 domenii de legare a ATP (ABC) Regiunile TMD ancoreaza proteina icircn membrana formand un por prin care trec o varietate remarcabila de substanţe Domeniul de legare al ATP este orientat spre fata citoplasmica şi la

12

nivelul ei se elibereaza energia ATP Nu se cunoaste modalitatea prin care energia este convertita de situsul ABC pentru a fi utilizată icircn transport şi nici mecanismul exact al transportului

Structura transportorilor de tip ABC icircn sectiune transversala (A) şi dispunerea peptidelor icircn spatiu (B)

Transportul activ secundar

Transportorii activi secundari cupleaza miscarea unei substanţe impotriva gradientului de concentraţie la schimb cu transportul altui ion icircn sensul gradientului sau de concentraţie Transportul activ secundar este intotdeauna un proces de co-transport fie de tip simport (ex

simportorii de Na+glucoza şi Na+aminoacizi) sau antiport (ex antiportorul Na+H+) Activitatea acestor transportori nu este asadar direct energizata de ATP ci indirect prin functionarea unor pompe primare de ATP care genereaza gradienti electrochimici Acesti gradienti constituie apoi motorul pentru transportorii secundari Cinetica transportului activ secundar este similara cu cea a difuziei facilitate La concentraţii foarte mari de substrat transportul este franat de lipsa unui număr suficient de proteine capabile să lege substratul existent Două exemple importante merita să fie amintite aici Simportorul Na+glucoza Transportorii secundari ai hexozelor sunt proteine transmembranare localizate icircn principal icircn celulele intestinale şi renale O semnificatie deosebita o au transportorii hexozelor (glucoza galactoza) de la polul apical

al celulelor din invelisul inestinal intern Simportorul Na+glucoza (prescurtat SGLUT) faciliteaza preluarea specifica a unei molecule de glucoza (si galactozei) din lumenul (cavitatea) intestinal(a) unde monozaharidele apar ca urmare a procesarii digestive a hranei

13

Glucoza este transportata din exteriorul celulei spre interior unde concentraţia acesteia este mult mai mare (impotriva gradientului de concentraţie) la schimb cu 2 ioni de sodiu Acest transport este posibil numai cu consum de energie iar forta motrice a functionarii simportului

este gradientul chimic de Na+ stabilit icircn urma functionarii pompelor primare dependente de ATP Glucoza este ulterior ldquodescarcatardquo icircn sange de unde ajunge la toate celulele organismului asigurand nutritia lor

Antiportorul Na+H+O parte din echilibrul ionic al celulelor este mentinut şi cu ajutorul unei clase de proteine

care transporta ionii de sodiu la schimb cu protoni Acestia sunt antiportorii Na+H+ (sau prescurtat Nha) care sunt prezenti icircn membrana plasmatică a celulelor bacteriene la celulele vegetale şi animale Forta motrice pentru functionarea acestor antiportori il reprezintă gradientul de pH generat icircn urma activităţii lantului respirator sau icircn urma functionarii unor

pompe primare de H+ Astfel 2 protoni sunt introdusi icircn citosol (in sensul gradientului de concentraţie) la schimb cu 3 ioni de sodiu care sunt expulzati impotriva gradientului de concentraţie Acest antiport are o semnificatie deosebita icircn cursul adaptarii la condiţii saline cacircnd concentraţia de saruri (NaCl sau NaHCO3Na2CO3) din mediul extern este foarte

mare Celula bacteriana şi vegetala au tendinta de a mentine concentraţia internă de ioni de sodiu icircn limite normale tocmai prin activitatea intensa a acestor antiportori

In celulele animale antiportorii de Na+H+ sunt distribuiti predominant la nivelul polului apical al celulelor renale implicate icircn formarea urinei Aceste celule au capacitatea de

a ldquorecuperardquo Na+ din urina (la nivelul membranei apicale) printr-un mecanism activ

secundar de simport Na+H+ Preluarea sodiului este posibila datorita ldquoaciditatiirdquo mediului intern celular care constituie motorul de deplasare a ionilor de sodiu spre interior (impotriva gradientului de concentraţie) Ionii de sodiu sunt mai departe transportati spre sange pentru a

se asigura tonicitatea acestuia prin polul bazal printr-un antiportor secundar Na+HCO3-

Mecanismele de transport ale Na+ K+ H+ apei glucozei sunt icircnsă mult mai subtile la acest nivel celulele renale avand capacitatea de a orienta migrarea acestor compuşi pentru asigurarea unui echilibru chimic electric şi de pH intre sange şi urina Orice dezechilibru genetic şi metabolic la acest nivel declanseaza boli ale rinichiului numite nefropatii şi boli ale sistemului cardiovascular (ex hipertensiune)

14

  • Permeabilitate şi transport
    • 31 Structura membranei celulare
      • 311 Lipidele membranare
      • 312 Proteinele membranare
      • 314 Fluiditatea membranei
        • 32 Rolul membranei celulare ndash procese de transport
          • 321 Permeabilitatea selectivă a membranei pentru neelectroliti şi ioni
          • 322 Transportul mediat de structuri speciale
          • 323 Transportul activ
          • 3231 Transportul activ primar
          • Transportul activ secundar
Page 4: Permeabilitate şi transport

Reprezentarea modelului mozaicului fluid al membranei celulare

314 Fluiditatea membranei

Este o proprietate fundamentala a membranelor plasmatice şi a celor care delimiteaza organitele celulare permitand deplasarea proteinelor icircn bistratul lipidic miscari care sunt importante pentru indeplinirea multor functii celulare Fluiditatea membranelor este influenţata de urmatorii factori a) Natura icircmpachetarii şi a interacţiunilor dintre lanturile de acizi grasi (AG) aparţinand

fosfolipidelor membranare Lanturile lungi ale acizilor graşi interacţionează mai puternic intre ele rezultacircnd o icircmpachetare stransă deci o fluiditate mai redusă decat icircn cazul portiunilor membranare cu lanturi scurte de AG Prin creşterea temperaturii se poate de

asemenea creşte fluiditatea membranei (legaturile duble trans se rotesc cu 120o) Există de asemenea o relaţie direct proportională icircntre temperatura de topire (Tm) şi lungimea lanţurilor acil Lanturile AG nesaturaţi cu legături duble cis nu se impachetează strans rezultacircnd o creştere a fluidităţii şi scădere a Tm Cu cacirct este mai mare numărul de legături duble cu atăt Tm este mai scazută iar fluiditatea mai ridicată

b) La animale colesterolul se insinueaza intre lanturile de AG reducandu-le mobilitatea şi crescand rigiditatea membranei Aceasta este o adaptare a membranei animale icircn lipsa peretelui celular (cu rol protector la plante şi bacterii) Cercetari recente arata ca efectul colesterolului asupra mobilitatii moleculelor membranare este diferit icircn funcţie de distanta fata de suprafaţa membranei şi de temperatura La temperaturi ridicate (peste temperatura de tranzitie a fosfolipidelor) colesterolul miscoreaza fluiditatea membranei datorita scheletului rigid al inelelor sterolice icircn timp ce la temperaturi joase colesterolul mentine distanta dintre

4

capetele hidofope ale lipidelor diminuand interacţiunile dintre acestea şi contribuind la ridicarea gradului de fluiditate a membranei

32 Rolul membranei celulare ndash procese de transport

Membrana plasmatică are trei proprietati fundamentale 1 Este un mozaic fluid permitand miscarea limitata a proteinelor 2 Este polarizata avand o distributie diferita de lipide şi proteine de o parte şi alta a ei 3 Are permeabilitate selectivă permitand trecerea unor substanţe şi blocand tranzitul

altora

Membrana plasmatică indeplineste mai multe roluri vitale pentru celula 1048633 Compartimentalizarea celulelor eucariote (aspect ce va fi discutat icircn capitolele

următoare) 1048633 Suport pentru desfăşurarea unor reacţii biochimice 1048633 Bariera de protectie cu permeabilitate selectivă 1048633 Transportul nutrientilor (ioni molecule organice) 1048633 Mediaza raspunsul la semnalele din mediul extern sau intern 1048633 Participa la comunicarea intercelulară

321 Permeabilitatea selectivă a membranei pentru neelectroliti şi ioni

Membrana lipidică bistratificata nu este o structura inerta impenetrabila ci este un sistem dinamic care permite trecerea activa sau pasiva a unor categorii de compuşi icircn general prin permeabilitate se pot intelege fenomenele de difuzie simpla nefacilitata de alte structuri decat de cea a membranei propriu-zise Difuzia simpla Proprietatea prin care membranele lipidice bistratificate permite trecerea unor substanţe şi blocheaza tranzitul altor substanţe se numeste permeabilitate selectivă Aceasta proprietate a fost descoperita experimental mai intai icircn modele artificiale icircn bistraturi lipidice apoi icircn modele naturale icircn membranele plasmatice Primul care a enuntat o regula privind permeabilitatea bistratelor lipidice a fost Overton (1902) coeficientii de permeabilitate se coreleaza cu coeficientii de partitie uleiapa ai diferitelor substanţe Cu alte cuvinte cu cat o substanta este mai hidrofobă cu atat patrund icircn celula cu o viteza mai mare Termeni utilizati icircn relatie cu permeabilitatea bistratelor lipidice

o Coeficientul de permeabilitate este raportul dintre fluxul (J cantitatea de substanta ce traversează suprafaţa membranei icircn unitatea de timp

molmiddotcm-2middots-1) şi diferenta de concentraţie (Δc a substanţei de pe

ambele fete ale membranei molmiddotcm-3) astfel P =J

Δc(cms)

o Coeficientul de difuzie D este direct proportionala cu coeficientul de

permeabilitate P şi cu grosimea membranei x D =P∙ x(cm2s)

5

o Coeficientul de partitie (Kp) reprezintă raportul de distributie a

substanţei intre membrana (cm) şi solutie (c) Kp = cm

co Daca integram cele trei ecuatii de mai sus pentru a le aplica unei

membrane lipidice bistratificate obtinem următoarea relatie P =Kp∙ D

x

coeficientul de permeabilitate fiind produsul dintre coeficientii de partitie şi difuzie icircn membrana impartit la grosimea membranei

Cea mai importanta substanta neelectrolitica cu molecula mica este apa Membranele biologice sunt partial permeabile pentru apa care traversează bistratul lipidic prin difuzie

libera (avand un coeficient de permeabilitate de 10-3-10-4 cms) Difuzia libera este un proces pasiv care nu necesita consum de energie Exista cazuri icircn care circulatia apei de o parte pe alta a membranei este controlata de către celula prin intermediul aquaporinelor (proteine-canal pentru apa) din membrana eritrocitelor (hematii sau globule rosii din sange)

In ceea ce priveste electrolitii masuratorile au evidenţiat gradul ridicat de impermeabilitate

a membranelor lipidice artificiale pentru cationi (cu coeficienti de permeabilitate de cca 10-

12-10-13 cms) Prezenta proteinelor icircn membranele naturale determina o crestere considerabila (de pacircnă la 1000 de ori) a permeatiei ionilor Acest lucru dovedeste implicarea proteinelor icircn transportul electrolitilor transport care nu se mai realizează icircn mod dominant prin difuzie pasiva ca icircn cazul apei ci prin transport activ Principala bariera icircn calea difuziei pasive a ionilor o constituie cel mai probabil interiorul hidrofob al bistratului lipidic Cresterea temperaturii urmata de o fluidizare mai pronuntata a membranelor lipidice artificiale determina şi o crestere a permeabilitatii pentru ioni Pe de alta parte anionii sunt mult mai permeanti decat cationii datorita potentialului de dipol care este pozitiv şi care favorizeaza trecerea prin scaderea energiei de transfer al anionilor

Cel mai permeant anion anorganic este Cl- din motive inca discutate

In privinta protonilor (H+) respectiv a ionilor hidroxil (HO-) s-a constatat ca icircn membranele

artificiale acestia prezintă proprietati de permeare apropiate cu ale apei (P=10-4-10-6 cms) icircn funcţie de compozitia lipidică In schimb membranele naturale prezintă o permeabilitate

şi mai mare (10-3 cms) fapt care indica din nou implicarea proteinelor icircn transportul acestor ioni

Difuzia simpla (a apei) are o contributie esenţiala la realizarea izotonicitatii celulelor icircn raport cu mediul extern

322 Transportul mediat de structuri speciale

Transportul diferitelor substanţe prin membrana celulară poate fi mediat de o serie de molecule numite canale şi transportori Daca transportul nu necesita consum de energie

6

decurge icircn sensul gradienilor electrochimici atunci se numeste transport pasiv (ex difuzia simpla şi difuzia facilitata) icircn schimb daca transportul reclama consum de energie şi se desfasoara impotriva gradientului chimic sau electric se numeste activ Difuzia facilitata Unii compuşi precum apa dar şi alti compuşi neelectrolitici precum glicerolul sau ureea protonii ionii hidroxil şi icircntr-o foarte mica masura anionii şi cationii pot difuza liber prin bistratul lipidic Exista icircnsă şi alte cai pasive neconsumatoare de energie prin care se realizează transportul substanţelor de o parte şi alta a membranei icircn sensul gradientilor de concentraţie şi anume prin intermediul ionoforilor şi a proteinelor-canal Ionoforii sunt polipeptide din categoria antibioticelor capabili de a realiza trecerea selectivă a unor ioni prin membrane lipidice Ionoforii incapsuleaza de obicei ionii printr-un proces de ciclizare sau semiciclizare şi transporta prin membrana conform gradientului electrochimic printr-un proces de dute-vino intre fetele membranei Exemple de ionofori ciclici şi ionii

transportati sunt valinomicina (K+) şi nigericina (K+ şi H+)

Alti ionofori sunt capabili de transportul ionilor prin asamblarea lor sub forma de canale sau pori membranari (gramicidina nistatina amfotericina) Ionoforii sunt icircnsă substanţe de origine artificiala şi au semnificatie experimentala icircn studiul fenomenelor de transport la nivelul membranelor O aplicatie practica direct resimtita de noi este efectul antibiotic al acestor ionofori prin permeabilizarea totala a celulelor bacteriene patogene cu consecinte letale pentru acestea (dezechilibru ionic poate fi fatal celulei)

O alta categorie de molecule implicate icircn difuzia facilitata a ionilor şi apei este cea a proteinelor-canal Ei sunt transportori naturali prezenti icircn membrane şi care poti fi operati icircn cateva moduri

Canale ope a)Canale operate de voltaj (voltage-gated channels) se deschid sau inchid ca raspuns la o schimbare a potentialului electric transmembranar icircn aceasta categorie intra

canalele de Na+ K+ şi Ca+ din membranele excitabile (din muschi şi sistemul nervos)

b)Canale operate chimic care raspund unui stimul chimic (hormoni sau neurotransmitatori) Aceste canale se gasesc la nivelul membranelor postsinaptice din jonctiunile neuromusculare

c)Canale care nu sunt reglate de un factor anume şi canale care sunt operate fizic (de exemplu sub acţiunea presiunii osmotice) Unii cercetatori le incadreaza icircn categoria porilor deoarece nu sunt considerate canale propriu-zise

In concluzie functia majora a canalelor ionice este de a facilita si de a regla pentru o foarte scurta perioada de timp miscarea ionilor in sensul gradientului de concentratie stabilit initial de o parte si alta a membranei plasmatice (celulare) sau membranei organitelor intracelulare aceasta disipare temporara a gradientului ionic determina o perturbare a functiilor celulare sau apare ca o necesitate de folosire predominanta a canalelor ionice

7

pentru traducerea semnalelor si transferul de informatie (ex la nivelul sinapselor nervoase)

O a treia categorie de molecule care mediaza transportul pasiv al substanţelor este cea a proteinelor-transportor (carriers sau carausi) Ele realizează trecerea unidirectionala icircn sensul gradientului chimic (pentru o specie neutra) sau electric (ioni) a unei singure substanţe (transport uniport)

Din punct de vedere enzimatic difuzia facilitata mediaţa de transportori are o cinetica de tip Michaelis-Menten fiind caracterizata de o viteza maxima (Vmax) şi o constanta

Michaelis (KM) spre deosebire de difuzia simpla care are o cinetica liniara

Exemple de transportori pasivi de tipul proteinelor-caraus sunt transportorul glucozei din membrana eritrocitara şi transportorii unor aminoacizi din membrana bacteriana

Cinetica difuziei simple şi facilitate

8

Difuzia facilitata a glucozei icircn care proteina-

caraus adopta mai multe stari conformaţionale

323 Transportul activ

Cand transportul unei substanţe este dependent de transportul altei substanţe afirmam ca transportul este cuplat Exista două categorii de transport cuplat antiport (contratransport sau difuzia de schimb substanţele sunt transportate icircn sens opus) şi simport (cotransport ambele specii chimice sunt transportate icircn acelasi sens) Teoretic transportul cuplat poate fi pasiv ca icircn cazul unor ionofori care realizează de

exemplul contratransportul K+H+ (nigericina) icircn realitate icircn membranele naturale vii diferenta (gradientul) electrochimic este mentinut prin procese consumatoare de energie iar simportul sau antiportul unor compuşi icircn sensul gradientului electrochimic este posibil numai icircn condiţiile icircn care celula mentine activ acest gradient Icircn acest caz putem spune ca transportul este cuplat secundar cu energia (transport activ secundar) Pe de alta parte o serie de transportori proteici realizează procese de transport cuplate direct cu consumul de energie (in speta cu hidroliza legaturilor macroergice ale ATP) Icircn acest caz transportorii sunt cuplati primar cu energia (transportori activ primar sau ldquopompe primarerdquo)

3231 Transportul activ primar

In transportul activ primar sunt implicate proteine care cupleaza translocarea unei substanţe (ioni sau molecule) impotriva gradientului chimic cu o sursa de energie Aceste surse de energie pot fi 1 Hidroliza ATP iar icircn acest caz transportorii proteici se numesc pompe (ionice) activate

de ATP Astfel de pompe cuplate cu activitatea ATP hidrolazica (ATPazica) sunt

exemplificate cel mai bine de Na+-K+-ATPaza care funcţionează ca transportor activ al

ionilor de Na+ dintr-un compartiment intracelular (cu concentraţie mica de Na+) spre

compartimentul extracelular (cu concentraţie ridicata de Na+) la schimb cu ionii de K+

9

care sunt translocati dinspre o concentraţie redusa din fluidul extracelular spre o

concentraţie de K+ ridicata din compartimentul intracelular (citosolic) Aceasta pompa este una dintre sursele majore de mentinere a potentialului electrochimic transmembranar

2 Razele luminoase Proteinele a caror funcţie transportoare este energizata sub acţiunea luminii se numesc ldquopompe (ionice) activate de luminardquo Pompele activate de lumina se intalnesc icircn membranele unor bacterii (de exemplu proteinele numite halorodopsina şi bacteriorodopsina)

Pompele ATPazice Transportorii primari de tipul ATPazelor indeplinesc roluri vitale pentru celula şi sunt raspanditi icircn toate organismele vii (procariote şi eucariote celule vegetale şi animale deopotriva) Pompele activate de ATP pot fi impartite icircn patru clase icircn funcţie de caracteristicile lor structural-functionale P-ATPaze V-ATPaze F-ATPaze şi proteine de tip ABC A P-ATPazele sunt o clasa de transportori inruditi genetic şi structural Ele includ

antiportorul Na+-K+-ATPaza (al carui rol a fost explicat mai sus) antiportorul K+-H+-ATPaza (implicat icircn generarea aciditatii din stomac prin transportul de protoni spre

exteriorul celulei icircn cavitatea stomacala la schimb cu ionii de K+ care patrund icircn celula)

şi Ca2+-ATPaza (prezenta icircn membrana celulară şi membrana reticului endoplasmic

transporta ionii de Ca2+ din citosol spre exteriorul celulei sau spre interiorul RE

mentinand concentraţia Ca2+ din citosol la un nivel redus astfel ca acesti ioni pot actiona ca semnale celulare)

P-ATPazele sunt astfel denumite (ldquoPrdquo) deoarece translocarea ionilor de o parte pe alta a membranei implica o modificare temporara covalenta a proteinei cu transferul fosfatului de pe ATP la gruparea carboxilica a acidului glutamatic (Glu) sau aspartic (Asp) din situsul activ Se formeaza o legătură cu energie inalta Icircntr-o etapă ulterioara fosfatul anorganic (Pi) este eliberat la fel şi ionul proteina revenind la starea initiala Pentru ca aceste proteine adopta două stari conformaţionale diferite (denumite E1 şi E2) ele au mai fost numite şi E1E2ATPaze

Mai jos va fi detaliaţa structura şi functionarea antiportorului Na+-K+-ATPaza Na+-K+-ATPaza Este un complex proteic membranar larg raspandit icircn celulele eucariote Se estimeaza ca circa 25 din totalul ATP citosolic din celulele umane icircn repaus este consumat de pompele de sodiu icircn vreme ce icircn celulele nervoase acest procent atinge 70 din ATP total

Na+-K+-ATPaza este un tetramer compus din patru subunităţi două subunităţi alfa (~113 kD) care sunt responsabile pentru transportul propriu-zis al ionilor şi de legarea ATP continand situsul de fosforilare şi două subunităţi mai mici beta (~35 kDa) Subunităţile beta sunt glicoproteine necesare activităţii complexului facilitand localizarea membranara şi activarea subunităţilor alfa

10

Transportul cationilor decurge prin intermediul unui ciclu de modificări conformaţionale datorate fosforilarii de la nivelul situsului activ din subunitatea alfa

bull Pompa cu ATP legat (starea conformaţionala E1) capteaza 3 ioni de Na+ de pe fata citosolică

bull ATP este hidrolizat fosfatul este transferat unei grupări carboxil din situsul de fosforilare aflat pe fata citosolică a pompei cu eliberare de ADP

bull Pricircntr-o modificare conformaţionala (starea E2) a carui mecanism este inca incert

pompa expune ionii de Na+ pe fata extracelulară unde ei sunt eliberati

bull Pompa leagă 2 ioni de K+ din mediul extracelular iar subunitatea alfa este defosforilata

bull ATP se leagă din nou iar pompa se reorienteaza eliberand ionii de K+ icircn citosol

bull Cu ATP legat de subunitatea alfa pompa (E1~ATP) este pregatita să lege ionii de Na+

iar ciclul se repeta

B V-ATPazele au fost initial identificate la eucariote şi mai exact icircn membrana vacuolelor (ldquoVrdquo) din celulele vegetale Ulterior V-ATPazele au fost descrise şi la bacterii Ele funcţionează ca pompe primare ce transporta protoni (in majoritatea cazurilor) sau ioni de

Na+ Ele contribuie la realizarea gradientilor transmembranari de protoni

C F-ATPazele se deosebesc de celelalte pompe ATPazice prin faptul ca sunt capabile nu numai de hidroliza ATP ci şi de sinteza ATP reprezentand enzime care contribuie la procesul de fosforilare (ldquoFrdquo) oxidativă (sinteza ATP cuplata cu respiratia) F-ATPazele sunt prezente la eucariote exclusiv icircn membrana mitocondriala şi cloroplastidiala interna icircn membranele bacteriilor şi arhebacteriilor (unde poarta numele de A-ATPaze) Desi funcţia principala este de a genera ATP pe seama gradientului electrochimic transmembranar susţinut icircn urma respiraţiei la unele bacteriui funcţia să este predominat hidrolazica generand potential electrochimic pe baza consumului de ATP Icircn laborator (in vitro) F-ATPazele pot functiona icircn ambele directii depinzand de condiţiile experimentale

11

D Proteinele transportoare de tip ABC (ATP-binding Cassetterdquo) au fost relativ recent descoperite şi reprezintă o clasa de proteine localizate atat icircn membrana plasmatică cat şi icircn membranele organitelor celulare Ele mediaza translocarea unor substrate variate ioni molecule organice (lipide acizi biliari conjugati glutationici şi glucuronici peptide mici) compuşi de sinteza (medicamente droguri) Majoritatea proteinelor ABC utilizează energia furnizata de hidroliza ATP (transport activ) icircnsă unele pot forma canale membranare specifice (de exemplu proteina CFTR reglatorul de conductanta transmembranara al fibrozei cistice care este un canal de clor) Aceste proteine sunt prezente la toate organismele vii de la bacterii la om (din cele peste 1000 de proteine ABC identificate 48 sunt tipic umane) Mutatii ale genelor ce codifică aceste proteine ABC au fost asociate cu numeroase maladii genetice (ex fibroza cistica) Avand posibilitatea de a lega şi transporta medicamente din şi inspre interiorul celulei proteinele ABC sunt raspunzatoare pentru esecul majoritatii tratamentelor medicale asupra bolnavilor de cancer care manifesta rezistenta la o serie de substanţe citotoxice (utilizate icircn chimioterapie) icircn rezistenta unor forme de malarie icircn dificultatea tratarii SIDA Aceste proteine ABC capabile de transportul medicamentelor şi apariţia rezistentei la tratamentele medicamentoase se numesc proteine MDR (ldquoMulti-drug resistancerdquo)

Un alt rol atribuit transportorilor de tip ABC este de facilitare a miscarii flip-flop (difuzie transversala) a lipidelor membranare şi de aceea aceste grup de proteine ABC se mai numesc flipaze dependente de ATP icircn general aceste translocaze de lipide transporta lipide din stratul intern pe fata externă a bistratului membranei cuplat cu transportul altor compuşi (acizi biliari medicamente)

Structura tipica a unei proteine de tip ABC constă din cel puţin 2 domenii transmembranare (TMD ldquoTransmembrane domainsrdquo) şi minimum 2 domenii de legare a ATP (ABC) Regiunile TMD ancoreaza proteina icircn membrana formand un por prin care trec o varietate remarcabila de substanţe Domeniul de legare al ATP este orientat spre fata citoplasmica şi la

12

nivelul ei se elibereaza energia ATP Nu se cunoaste modalitatea prin care energia este convertita de situsul ABC pentru a fi utilizată icircn transport şi nici mecanismul exact al transportului

Structura transportorilor de tip ABC icircn sectiune transversala (A) şi dispunerea peptidelor icircn spatiu (B)

Transportul activ secundar

Transportorii activi secundari cupleaza miscarea unei substanţe impotriva gradientului de concentraţie la schimb cu transportul altui ion icircn sensul gradientului sau de concentraţie Transportul activ secundar este intotdeauna un proces de co-transport fie de tip simport (ex

simportorii de Na+glucoza şi Na+aminoacizi) sau antiport (ex antiportorul Na+H+) Activitatea acestor transportori nu este asadar direct energizata de ATP ci indirect prin functionarea unor pompe primare de ATP care genereaza gradienti electrochimici Acesti gradienti constituie apoi motorul pentru transportorii secundari Cinetica transportului activ secundar este similara cu cea a difuziei facilitate La concentraţii foarte mari de substrat transportul este franat de lipsa unui număr suficient de proteine capabile să lege substratul existent Două exemple importante merita să fie amintite aici Simportorul Na+glucoza Transportorii secundari ai hexozelor sunt proteine transmembranare localizate icircn principal icircn celulele intestinale şi renale O semnificatie deosebita o au transportorii hexozelor (glucoza galactoza) de la polul apical

al celulelor din invelisul inestinal intern Simportorul Na+glucoza (prescurtat SGLUT) faciliteaza preluarea specifica a unei molecule de glucoza (si galactozei) din lumenul (cavitatea) intestinal(a) unde monozaharidele apar ca urmare a procesarii digestive a hranei

13

Glucoza este transportata din exteriorul celulei spre interior unde concentraţia acesteia este mult mai mare (impotriva gradientului de concentraţie) la schimb cu 2 ioni de sodiu Acest transport este posibil numai cu consum de energie iar forta motrice a functionarii simportului

este gradientul chimic de Na+ stabilit icircn urma functionarii pompelor primare dependente de ATP Glucoza este ulterior ldquodescarcatardquo icircn sange de unde ajunge la toate celulele organismului asigurand nutritia lor

Antiportorul Na+H+O parte din echilibrul ionic al celulelor este mentinut şi cu ajutorul unei clase de proteine

care transporta ionii de sodiu la schimb cu protoni Acestia sunt antiportorii Na+H+ (sau prescurtat Nha) care sunt prezenti icircn membrana plasmatică a celulelor bacteriene la celulele vegetale şi animale Forta motrice pentru functionarea acestor antiportori il reprezintă gradientul de pH generat icircn urma activităţii lantului respirator sau icircn urma functionarii unor

pompe primare de H+ Astfel 2 protoni sunt introdusi icircn citosol (in sensul gradientului de concentraţie) la schimb cu 3 ioni de sodiu care sunt expulzati impotriva gradientului de concentraţie Acest antiport are o semnificatie deosebita icircn cursul adaptarii la condiţii saline cacircnd concentraţia de saruri (NaCl sau NaHCO3Na2CO3) din mediul extern este foarte

mare Celula bacteriana şi vegetala au tendinta de a mentine concentraţia internă de ioni de sodiu icircn limite normale tocmai prin activitatea intensa a acestor antiportori

In celulele animale antiportorii de Na+H+ sunt distribuiti predominant la nivelul polului apical al celulelor renale implicate icircn formarea urinei Aceste celule au capacitatea de

a ldquorecuperardquo Na+ din urina (la nivelul membranei apicale) printr-un mecanism activ

secundar de simport Na+H+ Preluarea sodiului este posibila datorita ldquoaciditatiirdquo mediului intern celular care constituie motorul de deplasare a ionilor de sodiu spre interior (impotriva gradientului de concentraţie) Ionii de sodiu sunt mai departe transportati spre sange pentru a

se asigura tonicitatea acestuia prin polul bazal printr-un antiportor secundar Na+HCO3-

Mecanismele de transport ale Na+ K+ H+ apei glucozei sunt icircnsă mult mai subtile la acest nivel celulele renale avand capacitatea de a orienta migrarea acestor compuşi pentru asigurarea unui echilibru chimic electric şi de pH intre sange şi urina Orice dezechilibru genetic şi metabolic la acest nivel declanseaza boli ale rinichiului numite nefropatii şi boli ale sistemului cardiovascular (ex hipertensiune)

14

  • Permeabilitate şi transport
    • 31 Structura membranei celulare
      • 311 Lipidele membranare
      • 312 Proteinele membranare
      • 314 Fluiditatea membranei
        • 32 Rolul membranei celulare ndash procese de transport
          • 321 Permeabilitatea selectivă a membranei pentru neelectroliti şi ioni
          • 322 Transportul mediat de structuri speciale
          • 323 Transportul activ
          • 3231 Transportul activ primar
          • Transportul activ secundar
Page 5: Permeabilitate şi transport

capetele hidofope ale lipidelor diminuand interacţiunile dintre acestea şi contribuind la ridicarea gradului de fluiditate a membranei

32 Rolul membranei celulare ndash procese de transport

Membrana plasmatică are trei proprietati fundamentale 1 Este un mozaic fluid permitand miscarea limitata a proteinelor 2 Este polarizata avand o distributie diferita de lipide şi proteine de o parte şi alta a ei 3 Are permeabilitate selectivă permitand trecerea unor substanţe şi blocand tranzitul

altora

Membrana plasmatică indeplineste mai multe roluri vitale pentru celula 1048633 Compartimentalizarea celulelor eucariote (aspect ce va fi discutat icircn capitolele

următoare) 1048633 Suport pentru desfăşurarea unor reacţii biochimice 1048633 Bariera de protectie cu permeabilitate selectivă 1048633 Transportul nutrientilor (ioni molecule organice) 1048633 Mediaza raspunsul la semnalele din mediul extern sau intern 1048633 Participa la comunicarea intercelulară

321 Permeabilitatea selectivă a membranei pentru neelectroliti şi ioni

Membrana lipidică bistratificata nu este o structura inerta impenetrabila ci este un sistem dinamic care permite trecerea activa sau pasiva a unor categorii de compuşi icircn general prin permeabilitate se pot intelege fenomenele de difuzie simpla nefacilitata de alte structuri decat de cea a membranei propriu-zise Difuzia simpla Proprietatea prin care membranele lipidice bistratificate permite trecerea unor substanţe şi blocheaza tranzitul altor substanţe se numeste permeabilitate selectivă Aceasta proprietate a fost descoperita experimental mai intai icircn modele artificiale icircn bistraturi lipidice apoi icircn modele naturale icircn membranele plasmatice Primul care a enuntat o regula privind permeabilitatea bistratelor lipidice a fost Overton (1902) coeficientii de permeabilitate se coreleaza cu coeficientii de partitie uleiapa ai diferitelor substanţe Cu alte cuvinte cu cat o substanta este mai hidrofobă cu atat patrund icircn celula cu o viteza mai mare Termeni utilizati icircn relatie cu permeabilitatea bistratelor lipidice

o Coeficientul de permeabilitate este raportul dintre fluxul (J cantitatea de substanta ce traversează suprafaţa membranei icircn unitatea de timp

molmiddotcm-2middots-1) şi diferenta de concentraţie (Δc a substanţei de pe

ambele fete ale membranei molmiddotcm-3) astfel P =J

Δc(cms)

o Coeficientul de difuzie D este direct proportionala cu coeficientul de

permeabilitate P şi cu grosimea membranei x D =P∙ x(cm2s)

5

o Coeficientul de partitie (Kp) reprezintă raportul de distributie a

substanţei intre membrana (cm) şi solutie (c) Kp = cm

co Daca integram cele trei ecuatii de mai sus pentru a le aplica unei

membrane lipidice bistratificate obtinem următoarea relatie P =Kp∙ D

x

coeficientul de permeabilitate fiind produsul dintre coeficientii de partitie şi difuzie icircn membrana impartit la grosimea membranei

Cea mai importanta substanta neelectrolitica cu molecula mica este apa Membranele biologice sunt partial permeabile pentru apa care traversează bistratul lipidic prin difuzie

libera (avand un coeficient de permeabilitate de 10-3-10-4 cms) Difuzia libera este un proces pasiv care nu necesita consum de energie Exista cazuri icircn care circulatia apei de o parte pe alta a membranei este controlata de către celula prin intermediul aquaporinelor (proteine-canal pentru apa) din membrana eritrocitelor (hematii sau globule rosii din sange)

In ceea ce priveste electrolitii masuratorile au evidenţiat gradul ridicat de impermeabilitate

a membranelor lipidice artificiale pentru cationi (cu coeficienti de permeabilitate de cca 10-

12-10-13 cms) Prezenta proteinelor icircn membranele naturale determina o crestere considerabila (de pacircnă la 1000 de ori) a permeatiei ionilor Acest lucru dovedeste implicarea proteinelor icircn transportul electrolitilor transport care nu se mai realizează icircn mod dominant prin difuzie pasiva ca icircn cazul apei ci prin transport activ Principala bariera icircn calea difuziei pasive a ionilor o constituie cel mai probabil interiorul hidrofob al bistratului lipidic Cresterea temperaturii urmata de o fluidizare mai pronuntata a membranelor lipidice artificiale determina şi o crestere a permeabilitatii pentru ioni Pe de alta parte anionii sunt mult mai permeanti decat cationii datorita potentialului de dipol care este pozitiv şi care favorizeaza trecerea prin scaderea energiei de transfer al anionilor

Cel mai permeant anion anorganic este Cl- din motive inca discutate

In privinta protonilor (H+) respectiv a ionilor hidroxil (HO-) s-a constatat ca icircn membranele

artificiale acestia prezintă proprietati de permeare apropiate cu ale apei (P=10-4-10-6 cms) icircn funcţie de compozitia lipidică In schimb membranele naturale prezintă o permeabilitate

şi mai mare (10-3 cms) fapt care indica din nou implicarea proteinelor icircn transportul acestor ioni

Difuzia simpla (a apei) are o contributie esenţiala la realizarea izotonicitatii celulelor icircn raport cu mediul extern

322 Transportul mediat de structuri speciale

Transportul diferitelor substanţe prin membrana celulară poate fi mediat de o serie de molecule numite canale şi transportori Daca transportul nu necesita consum de energie

6

decurge icircn sensul gradienilor electrochimici atunci se numeste transport pasiv (ex difuzia simpla şi difuzia facilitata) icircn schimb daca transportul reclama consum de energie şi se desfasoara impotriva gradientului chimic sau electric se numeste activ Difuzia facilitata Unii compuşi precum apa dar şi alti compuşi neelectrolitici precum glicerolul sau ureea protonii ionii hidroxil şi icircntr-o foarte mica masura anionii şi cationii pot difuza liber prin bistratul lipidic Exista icircnsă şi alte cai pasive neconsumatoare de energie prin care se realizează transportul substanţelor de o parte şi alta a membranei icircn sensul gradientilor de concentraţie şi anume prin intermediul ionoforilor şi a proteinelor-canal Ionoforii sunt polipeptide din categoria antibioticelor capabili de a realiza trecerea selectivă a unor ioni prin membrane lipidice Ionoforii incapsuleaza de obicei ionii printr-un proces de ciclizare sau semiciclizare şi transporta prin membrana conform gradientului electrochimic printr-un proces de dute-vino intre fetele membranei Exemple de ionofori ciclici şi ionii

transportati sunt valinomicina (K+) şi nigericina (K+ şi H+)

Alti ionofori sunt capabili de transportul ionilor prin asamblarea lor sub forma de canale sau pori membranari (gramicidina nistatina amfotericina) Ionoforii sunt icircnsă substanţe de origine artificiala şi au semnificatie experimentala icircn studiul fenomenelor de transport la nivelul membranelor O aplicatie practica direct resimtita de noi este efectul antibiotic al acestor ionofori prin permeabilizarea totala a celulelor bacteriene patogene cu consecinte letale pentru acestea (dezechilibru ionic poate fi fatal celulei)

O alta categorie de molecule implicate icircn difuzia facilitata a ionilor şi apei este cea a proteinelor-canal Ei sunt transportori naturali prezenti icircn membrane şi care poti fi operati icircn cateva moduri

Canale ope a)Canale operate de voltaj (voltage-gated channels) se deschid sau inchid ca raspuns la o schimbare a potentialului electric transmembranar icircn aceasta categorie intra

canalele de Na+ K+ şi Ca+ din membranele excitabile (din muschi şi sistemul nervos)

b)Canale operate chimic care raspund unui stimul chimic (hormoni sau neurotransmitatori) Aceste canale se gasesc la nivelul membranelor postsinaptice din jonctiunile neuromusculare

c)Canale care nu sunt reglate de un factor anume şi canale care sunt operate fizic (de exemplu sub acţiunea presiunii osmotice) Unii cercetatori le incadreaza icircn categoria porilor deoarece nu sunt considerate canale propriu-zise

In concluzie functia majora a canalelor ionice este de a facilita si de a regla pentru o foarte scurta perioada de timp miscarea ionilor in sensul gradientului de concentratie stabilit initial de o parte si alta a membranei plasmatice (celulare) sau membranei organitelor intracelulare aceasta disipare temporara a gradientului ionic determina o perturbare a functiilor celulare sau apare ca o necesitate de folosire predominanta a canalelor ionice

7

pentru traducerea semnalelor si transferul de informatie (ex la nivelul sinapselor nervoase)

O a treia categorie de molecule care mediaza transportul pasiv al substanţelor este cea a proteinelor-transportor (carriers sau carausi) Ele realizează trecerea unidirectionala icircn sensul gradientului chimic (pentru o specie neutra) sau electric (ioni) a unei singure substanţe (transport uniport)

Din punct de vedere enzimatic difuzia facilitata mediaţa de transportori are o cinetica de tip Michaelis-Menten fiind caracterizata de o viteza maxima (Vmax) şi o constanta

Michaelis (KM) spre deosebire de difuzia simpla care are o cinetica liniara

Exemple de transportori pasivi de tipul proteinelor-caraus sunt transportorul glucozei din membrana eritrocitara şi transportorii unor aminoacizi din membrana bacteriana

Cinetica difuziei simple şi facilitate

8

Difuzia facilitata a glucozei icircn care proteina-

caraus adopta mai multe stari conformaţionale

323 Transportul activ

Cand transportul unei substanţe este dependent de transportul altei substanţe afirmam ca transportul este cuplat Exista două categorii de transport cuplat antiport (contratransport sau difuzia de schimb substanţele sunt transportate icircn sens opus) şi simport (cotransport ambele specii chimice sunt transportate icircn acelasi sens) Teoretic transportul cuplat poate fi pasiv ca icircn cazul unor ionofori care realizează de

exemplul contratransportul K+H+ (nigericina) icircn realitate icircn membranele naturale vii diferenta (gradientul) electrochimic este mentinut prin procese consumatoare de energie iar simportul sau antiportul unor compuşi icircn sensul gradientului electrochimic este posibil numai icircn condiţiile icircn care celula mentine activ acest gradient Icircn acest caz putem spune ca transportul este cuplat secundar cu energia (transport activ secundar) Pe de alta parte o serie de transportori proteici realizează procese de transport cuplate direct cu consumul de energie (in speta cu hidroliza legaturilor macroergice ale ATP) Icircn acest caz transportorii sunt cuplati primar cu energia (transportori activ primar sau ldquopompe primarerdquo)

3231 Transportul activ primar

In transportul activ primar sunt implicate proteine care cupleaza translocarea unei substanţe (ioni sau molecule) impotriva gradientului chimic cu o sursa de energie Aceste surse de energie pot fi 1 Hidroliza ATP iar icircn acest caz transportorii proteici se numesc pompe (ionice) activate

de ATP Astfel de pompe cuplate cu activitatea ATP hidrolazica (ATPazica) sunt

exemplificate cel mai bine de Na+-K+-ATPaza care funcţionează ca transportor activ al

ionilor de Na+ dintr-un compartiment intracelular (cu concentraţie mica de Na+) spre

compartimentul extracelular (cu concentraţie ridicata de Na+) la schimb cu ionii de K+

9

care sunt translocati dinspre o concentraţie redusa din fluidul extracelular spre o

concentraţie de K+ ridicata din compartimentul intracelular (citosolic) Aceasta pompa este una dintre sursele majore de mentinere a potentialului electrochimic transmembranar

2 Razele luminoase Proteinele a caror funcţie transportoare este energizata sub acţiunea luminii se numesc ldquopompe (ionice) activate de luminardquo Pompele activate de lumina se intalnesc icircn membranele unor bacterii (de exemplu proteinele numite halorodopsina şi bacteriorodopsina)

Pompele ATPazice Transportorii primari de tipul ATPazelor indeplinesc roluri vitale pentru celula şi sunt raspanditi icircn toate organismele vii (procariote şi eucariote celule vegetale şi animale deopotriva) Pompele activate de ATP pot fi impartite icircn patru clase icircn funcţie de caracteristicile lor structural-functionale P-ATPaze V-ATPaze F-ATPaze şi proteine de tip ABC A P-ATPazele sunt o clasa de transportori inruditi genetic şi structural Ele includ

antiportorul Na+-K+-ATPaza (al carui rol a fost explicat mai sus) antiportorul K+-H+-ATPaza (implicat icircn generarea aciditatii din stomac prin transportul de protoni spre

exteriorul celulei icircn cavitatea stomacala la schimb cu ionii de K+ care patrund icircn celula)

şi Ca2+-ATPaza (prezenta icircn membrana celulară şi membrana reticului endoplasmic

transporta ionii de Ca2+ din citosol spre exteriorul celulei sau spre interiorul RE

mentinand concentraţia Ca2+ din citosol la un nivel redus astfel ca acesti ioni pot actiona ca semnale celulare)

P-ATPazele sunt astfel denumite (ldquoPrdquo) deoarece translocarea ionilor de o parte pe alta a membranei implica o modificare temporara covalenta a proteinei cu transferul fosfatului de pe ATP la gruparea carboxilica a acidului glutamatic (Glu) sau aspartic (Asp) din situsul activ Se formeaza o legătură cu energie inalta Icircntr-o etapă ulterioara fosfatul anorganic (Pi) este eliberat la fel şi ionul proteina revenind la starea initiala Pentru ca aceste proteine adopta două stari conformaţionale diferite (denumite E1 şi E2) ele au mai fost numite şi E1E2ATPaze

Mai jos va fi detaliaţa structura şi functionarea antiportorului Na+-K+-ATPaza Na+-K+-ATPaza Este un complex proteic membranar larg raspandit icircn celulele eucariote Se estimeaza ca circa 25 din totalul ATP citosolic din celulele umane icircn repaus este consumat de pompele de sodiu icircn vreme ce icircn celulele nervoase acest procent atinge 70 din ATP total

Na+-K+-ATPaza este un tetramer compus din patru subunităţi două subunităţi alfa (~113 kD) care sunt responsabile pentru transportul propriu-zis al ionilor şi de legarea ATP continand situsul de fosforilare şi două subunităţi mai mici beta (~35 kDa) Subunităţile beta sunt glicoproteine necesare activităţii complexului facilitand localizarea membranara şi activarea subunităţilor alfa

10

Transportul cationilor decurge prin intermediul unui ciclu de modificări conformaţionale datorate fosforilarii de la nivelul situsului activ din subunitatea alfa

bull Pompa cu ATP legat (starea conformaţionala E1) capteaza 3 ioni de Na+ de pe fata citosolică

bull ATP este hidrolizat fosfatul este transferat unei grupări carboxil din situsul de fosforilare aflat pe fata citosolică a pompei cu eliberare de ADP

bull Pricircntr-o modificare conformaţionala (starea E2) a carui mecanism este inca incert

pompa expune ionii de Na+ pe fata extracelulară unde ei sunt eliberati

bull Pompa leagă 2 ioni de K+ din mediul extracelular iar subunitatea alfa este defosforilata

bull ATP se leagă din nou iar pompa se reorienteaza eliberand ionii de K+ icircn citosol

bull Cu ATP legat de subunitatea alfa pompa (E1~ATP) este pregatita să lege ionii de Na+

iar ciclul se repeta

B V-ATPazele au fost initial identificate la eucariote şi mai exact icircn membrana vacuolelor (ldquoVrdquo) din celulele vegetale Ulterior V-ATPazele au fost descrise şi la bacterii Ele funcţionează ca pompe primare ce transporta protoni (in majoritatea cazurilor) sau ioni de

Na+ Ele contribuie la realizarea gradientilor transmembranari de protoni

C F-ATPazele se deosebesc de celelalte pompe ATPazice prin faptul ca sunt capabile nu numai de hidroliza ATP ci şi de sinteza ATP reprezentand enzime care contribuie la procesul de fosforilare (ldquoFrdquo) oxidativă (sinteza ATP cuplata cu respiratia) F-ATPazele sunt prezente la eucariote exclusiv icircn membrana mitocondriala şi cloroplastidiala interna icircn membranele bacteriilor şi arhebacteriilor (unde poarta numele de A-ATPaze) Desi funcţia principala este de a genera ATP pe seama gradientului electrochimic transmembranar susţinut icircn urma respiraţiei la unele bacteriui funcţia să este predominat hidrolazica generand potential electrochimic pe baza consumului de ATP Icircn laborator (in vitro) F-ATPazele pot functiona icircn ambele directii depinzand de condiţiile experimentale

11

D Proteinele transportoare de tip ABC (ATP-binding Cassetterdquo) au fost relativ recent descoperite şi reprezintă o clasa de proteine localizate atat icircn membrana plasmatică cat şi icircn membranele organitelor celulare Ele mediaza translocarea unor substrate variate ioni molecule organice (lipide acizi biliari conjugati glutationici şi glucuronici peptide mici) compuşi de sinteza (medicamente droguri) Majoritatea proteinelor ABC utilizează energia furnizata de hidroliza ATP (transport activ) icircnsă unele pot forma canale membranare specifice (de exemplu proteina CFTR reglatorul de conductanta transmembranara al fibrozei cistice care este un canal de clor) Aceste proteine sunt prezente la toate organismele vii de la bacterii la om (din cele peste 1000 de proteine ABC identificate 48 sunt tipic umane) Mutatii ale genelor ce codifică aceste proteine ABC au fost asociate cu numeroase maladii genetice (ex fibroza cistica) Avand posibilitatea de a lega şi transporta medicamente din şi inspre interiorul celulei proteinele ABC sunt raspunzatoare pentru esecul majoritatii tratamentelor medicale asupra bolnavilor de cancer care manifesta rezistenta la o serie de substanţe citotoxice (utilizate icircn chimioterapie) icircn rezistenta unor forme de malarie icircn dificultatea tratarii SIDA Aceste proteine ABC capabile de transportul medicamentelor şi apariţia rezistentei la tratamentele medicamentoase se numesc proteine MDR (ldquoMulti-drug resistancerdquo)

Un alt rol atribuit transportorilor de tip ABC este de facilitare a miscarii flip-flop (difuzie transversala) a lipidelor membranare şi de aceea aceste grup de proteine ABC se mai numesc flipaze dependente de ATP icircn general aceste translocaze de lipide transporta lipide din stratul intern pe fata externă a bistratului membranei cuplat cu transportul altor compuşi (acizi biliari medicamente)

Structura tipica a unei proteine de tip ABC constă din cel puţin 2 domenii transmembranare (TMD ldquoTransmembrane domainsrdquo) şi minimum 2 domenii de legare a ATP (ABC) Regiunile TMD ancoreaza proteina icircn membrana formand un por prin care trec o varietate remarcabila de substanţe Domeniul de legare al ATP este orientat spre fata citoplasmica şi la

12

nivelul ei se elibereaza energia ATP Nu se cunoaste modalitatea prin care energia este convertita de situsul ABC pentru a fi utilizată icircn transport şi nici mecanismul exact al transportului

Structura transportorilor de tip ABC icircn sectiune transversala (A) şi dispunerea peptidelor icircn spatiu (B)

Transportul activ secundar

Transportorii activi secundari cupleaza miscarea unei substanţe impotriva gradientului de concentraţie la schimb cu transportul altui ion icircn sensul gradientului sau de concentraţie Transportul activ secundar este intotdeauna un proces de co-transport fie de tip simport (ex

simportorii de Na+glucoza şi Na+aminoacizi) sau antiport (ex antiportorul Na+H+) Activitatea acestor transportori nu este asadar direct energizata de ATP ci indirect prin functionarea unor pompe primare de ATP care genereaza gradienti electrochimici Acesti gradienti constituie apoi motorul pentru transportorii secundari Cinetica transportului activ secundar este similara cu cea a difuziei facilitate La concentraţii foarte mari de substrat transportul este franat de lipsa unui număr suficient de proteine capabile să lege substratul existent Două exemple importante merita să fie amintite aici Simportorul Na+glucoza Transportorii secundari ai hexozelor sunt proteine transmembranare localizate icircn principal icircn celulele intestinale şi renale O semnificatie deosebita o au transportorii hexozelor (glucoza galactoza) de la polul apical

al celulelor din invelisul inestinal intern Simportorul Na+glucoza (prescurtat SGLUT) faciliteaza preluarea specifica a unei molecule de glucoza (si galactozei) din lumenul (cavitatea) intestinal(a) unde monozaharidele apar ca urmare a procesarii digestive a hranei

13

Glucoza este transportata din exteriorul celulei spre interior unde concentraţia acesteia este mult mai mare (impotriva gradientului de concentraţie) la schimb cu 2 ioni de sodiu Acest transport este posibil numai cu consum de energie iar forta motrice a functionarii simportului

este gradientul chimic de Na+ stabilit icircn urma functionarii pompelor primare dependente de ATP Glucoza este ulterior ldquodescarcatardquo icircn sange de unde ajunge la toate celulele organismului asigurand nutritia lor

Antiportorul Na+H+O parte din echilibrul ionic al celulelor este mentinut şi cu ajutorul unei clase de proteine

care transporta ionii de sodiu la schimb cu protoni Acestia sunt antiportorii Na+H+ (sau prescurtat Nha) care sunt prezenti icircn membrana plasmatică a celulelor bacteriene la celulele vegetale şi animale Forta motrice pentru functionarea acestor antiportori il reprezintă gradientul de pH generat icircn urma activităţii lantului respirator sau icircn urma functionarii unor

pompe primare de H+ Astfel 2 protoni sunt introdusi icircn citosol (in sensul gradientului de concentraţie) la schimb cu 3 ioni de sodiu care sunt expulzati impotriva gradientului de concentraţie Acest antiport are o semnificatie deosebita icircn cursul adaptarii la condiţii saline cacircnd concentraţia de saruri (NaCl sau NaHCO3Na2CO3) din mediul extern este foarte

mare Celula bacteriana şi vegetala au tendinta de a mentine concentraţia internă de ioni de sodiu icircn limite normale tocmai prin activitatea intensa a acestor antiportori

In celulele animale antiportorii de Na+H+ sunt distribuiti predominant la nivelul polului apical al celulelor renale implicate icircn formarea urinei Aceste celule au capacitatea de

a ldquorecuperardquo Na+ din urina (la nivelul membranei apicale) printr-un mecanism activ

secundar de simport Na+H+ Preluarea sodiului este posibila datorita ldquoaciditatiirdquo mediului intern celular care constituie motorul de deplasare a ionilor de sodiu spre interior (impotriva gradientului de concentraţie) Ionii de sodiu sunt mai departe transportati spre sange pentru a

se asigura tonicitatea acestuia prin polul bazal printr-un antiportor secundar Na+HCO3-

Mecanismele de transport ale Na+ K+ H+ apei glucozei sunt icircnsă mult mai subtile la acest nivel celulele renale avand capacitatea de a orienta migrarea acestor compuşi pentru asigurarea unui echilibru chimic electric şi de pH intre sange şi urina Orice dezechilibru genetic şi metabolic la acest nivel declanseaza boli ale rinichiului numite nefropatii şi boli ale sistemului cardiovascular (ex hipertensiune)

14

  • Permeabilitate şi transport
    • 31 Structura membranei celulare
      • 311 Lipidele membranare
      • 312 Proteinele membranare
      • 314 Fluiditatea membranei
        • 32 Rolul membranei celulare ndash procese de transport
          • 321 Permeabilitatea selectivă a membranei pentru neelectroliti şi ioni
          • 322 Transportul mediat de structuri speciale
          • 323 Transportul activ
          • 3231 Transportul activ primar
          • Transportul activ secundar
Page 6: Permeabilitate şi transport

o Coeficientul de partitie (Kp) reprezintă raportul de distributie a

substanţei intre membrana (cm) şi solutie (c) Kp = cm

co Daca integram cele trei ecuatii de mai sus pentru a le aplica unei

membrane lipidice bistratificate obtinem următoarea relatie P =Kp∙ D

x

coeficientul de permeabilitate fiind produsul dintre coeficientii de partitie şi difuzie icircn membrana impartit la grosimea membranei

Cea mai importanta substanta neelectrolitica cu molecula mica este apa Membranele biologice sunt partial permeabile pentru apa care traversează bistratul lipidic prin difuzie

libera (avand un coeficient de permeabilitate de 10-3-10-4 cms) Difuzia libera este un proces pasiv care nu necesita consum de energie Exista cazuri icircn care circulatia apei de o parte pe alta a membranei este controlata de către celula prin intermediul aquaporinelor (proteine-canal pentru apa) din membrana eritrocitelor (hematii sau globule rosii din sange)

In ceea ce priveste electrolitii masuratorile au evidenţiat gradul ridicat de impermeabilitate

a membranelor lipidice artificiale pentru cationi (cu coeficienti de permeabilitate de cca 10-

12-10-13 cms) Prezenta proteinelor icircn membranele naturale determina o crestere considerabila (de pacircnă la 1000 de ori) a permeatiei ionilor Acest lucru dovedeste implicarea proteinelor icircn transportul electrolitilor transport care nu se mai realizează icircn mod dominant prin difuzie pasiva ca icircn cazul apei ci prin transport activ Principala bariera icircn calea difuziei pasive a ionilor o constituie cel mai probabil interiorul hidrofob al bistratului lipidic Cresterea temperaturii urmata de o fluidizare mai pronuntata a membranelor lipidice artificiale determina şi o crestere a permeabilitatii pentru ioni Pe de alta parte anionii sunt mult mai permeanti decat cationii datorita potentialului de dipol care este pozitiv şi care favorizeaza trecerea prin scaderea energiei de transfer al anionilor

Cel mai permeant anion anorganic este Cl- din motive inca discutate

In privinta protonilor (H+) respectiv a ionilor hidroxil (HO-) s-a constatat ca icircn membranele

artificiale acestia prezintă proprietati de permeare apropiate cu ale apei (P=10-4-10-6 cms) icircn funcţie de compozitia lipidică In schimb membranele naturale prezintă o permeabilitate

şi mai mare (10-3 cms) fapt care indica din nou implicarea proteinelor icircn transportul acestor ioni

Difuzia simpla (a apei) are o contributie esenţiala la realizarea izotonicitatii celulelor icircn raport cu mediul extern

322 Transportul mediat de structuri speciale

Transportul diferitelor substanţe prin membrana celulară poate fi mediat de o serie de molecule numite canale şi transportori Daca transportul nu necesita consum de energie

6

decurge icircn sensul gradienilor electrochimici atunci se numeste transport pasiv (ex difuzia simpla şi difuzia facilitata) icircn schimb daca transportul reclama consum de energie şi se desfasoara impotriva gradientului chimic sau electric se numeste activ Difuzia facilitata Unii compuşi precum apa dar şi alti compuşi neelectrolitici precum glicerolul sau ureea protonii ionii hidroxil şi icircntr-o foarte mica masura anionii şi cationii pot difuza liber prin bistratul lipidic Exista icircnsă şi alte cai pasive neconsumatoare de energie prin care se realizează transportul substanţelor de o parte şi alta a membranei icircn sensul gradientilor de concentraţie şi anume prin intermediul ionoforilor şi a proteinelor-canal Ionoforii sunt polipeptide din categoria antibioticelor capabili de a realiza trecerea selectivă a unor ioni prin membrane lipidice Ionoforii incapsuleaza de obicei ionii printr-un proces de ciclizare sau semiciclizare şi transporta prin membrana conform gradientului electrochimic printr-un proces de dute-vino intre fetele membranei Exemple de ionofori ciclici şi ionii

transportati sunt valinomicina (K+) şi nigericina (K+ şi H+)

Alti ionofori sunt capabili de transportul ionilor prin asamblarea lor sub forma de canale sau pori membranari (gramicidina nistatina amfotericina) Ionoforii sunt icircnsă substanţe de origine artificiala şi au semnificatie experimentala icircn studiul fenomenelor de transport la nivelul membranelor O aplicatie practica direct resimtita de noi este efectul antibiotic al acestor ionofori prin permeabilizarea totala a celulelor bacteriene patogene cu consecinte letale pentru acestea (dezechilibru ionic poate fi fatal celulei)

O alta categorie de molecule implicate icircn difuzia facilitata a ionilor şi apei este cea a proteinelor-canal Ei sunt transportori naturali prezenti icircn membrane şi care poti fi operati icircn cateva moduri

Canale ope a)Canale operate de voltaj (voltage-gated channels) se deschid sau inchid ca raspuns la o schimbare a potentialului electric transmembranar icircn aceasta categorie intra

canalele de Na+ K+ şi Ca+ din membranele excitabile (din muschi şi sistemul nervos)

b)Canale operate chimic care raspund unui stimul chimic (hormoni sau neurotransmitatori) Aceste canale se gasesc la nivelul membranelor postsinaptice din jonctiunile neuromusculare

c)Canale care nu sunt reglate de un factor anume şi canale care sunt operate fizic (de exemplu sub acţiunea presiunii osmotice) Unii cercetatori le incadreaza icircn categoria porilor deoarece nu sunt considerate canale propriu-zise

In concluzie functia majora a canalelor ionice este de a facilita si de a regla pentru o foarte scurta perioada de timp miscarea ionilor in sensul gradientului de concentratie stabilit initial de o parte si alta a membranei plasmatice (celulare) sau membranei organitelor intracelulare aceasta disipare temporara a gradientului ionic determina o perturbare a functiilor celulare sau apare ca o necesitate de folosire predominanta a canalelor ionice

7

pentru traducerea semnalelor si transferul de informatie (ex la nivelul sinapselor nervoase)

O a treia categorie de molecule care mediaza transportul pasiv al substanţelor este cea a proteinelor-transportor (carriers sau carausi) Ele realizează trecerea unidirectionala icircn sensul gradientului chimic (pentru o specie neutra) sau electric (ioni) a unei singure substanţe (transport uniport)

Din punct de vedere enzimatic difuzia facilitata mediaţa de transportori are o cinetica de tip Michaelis-Menten fiind caracterizata de o viteza maxima (Vmax) şi o constanta

Michaelis (KM) spre deosebire de difuzia simpla care are o cinetica liniara

Exemple de transportori pasivi de tipul proteinelor-caraus sunt transportorul glucozei din membrana eritrocitara şi transportorii unor aminoacizi din membrana bacteriana

Cinetica difuziei simple şi facilitate

8

Difuzia facilitata a glucozei icircn care proteina-

caraus adopta mai multe stari conformaţionale

323 Transportul activ

Cand transportul unei substanţe este dependent de transportul altei substanţe afirmam ca transportul este cuplat Exista două categorii de transport cuplat antiport (contratransport sau difuzia de schimb substanţele sunt transportate icircn sens opus) şi simport (cotransport ambele specii chimice sunt transportate icircn acelasi sens) Teoretic transportul cuplat poate fi pasiv ca icircn cazul unor ionofori care realizează de

exemplul contratransportul K+H+ (nigericina) icircn realitate icircn membranele naturale vii diferenta (gradientul) electrochimic este mentinut prin procese consumatoare de energie iar simportul sau antiportul unor compuşi icircn sensul gradientului electrochimic este posibil numai icircn condiţiile icircn care celula mentine activ acest gradient Icircn acest caz putem spune ca transportul este cuplat secundar cu energia (transport activ secundar) Pe de alta parte o serie de transportori proteici realizează procese de transport cuplate direct cu consumul de energie (in speta cu hidroliza legaturilor macroergice ale ATP) Icircn acest caz transportorii sunt cuplati primar cu energia (transportori activ primar sau ldquopompe primarerdquo)

3231 Transportul activ primar

In transportul activ primar sunt implicate proteine care cupleaza translocarea unei substanţe (ioni sau molecule) impotriva gradientului chimic cu o sursa de energie Aceste surse de energie pot fi 1 Hidroliza ATP iar icircn acest caz transportorii proteici se numesc pompe (ionice) activate

de ATP Astfel de pompe cuplate cu activitatea ATP hidrolazica (ATPazica) sunt

exemplificate cel mai bine de Na+-K+-ATPaza care funcţionează ca transportor activ al

ionilor de Na+ dintr-un compartiment intracelular (cu concentraţie mica de Na+) spre

compartimentul extracelular (cu concentraţie ridicata de Na+) la schimb cu ionii de K+

9

care sunt translocati dinspre o concentraţie redusa din fluidul extracelular spre o

concentraţie de K+ ridicata din compartimentul intracelular (citosolic) Aceasta pompa este una dintre sursele majore de mentinere a potentialului electrochimic transmembranar

2 Razele luminoase Proteinele a caror funcţie transportoare este energizata sub acţiunea luminii se numesc ldquopompe (ionice) activate de luminardquo Pompele activate de lumina se intalnesc icircn membranele unor bacterii (de exemplu proteinele numite halorodopsina şi bacteriorodopsina)

Pompele ATPazice Transportorii primari de tipul ATPazelor indeplinesc roluri vitale pentru celula şi sunt raspanditi icircn toate organismele vii (procariote şi eucariote celule vegetale şi animale deopotriva) Pompele activate de ATP pot fi impartite icircn patru clase icircn funcţie de caracteristicile lor structural-functionale P-ATPaze V-ATPaze F-ATPaze şi proteine de tip ABC A P-ATPazele sunt o clasa de transportori inruditi genetic şi structural Ele includ

antiportorul Na+-K+-ATPaza (al carui rol a fost explicat mai sus) antiportorul K+-H+-ATPaza (implicat icircn generarea aciditatii din stomac prin transportul de protoni spre

exteriorul celulei icircn cavitatea stomacala la schimb cu ionii de K+ care patrund icircn celula)

şi Ca2+-ATPaza (prezenta icircn membrana celulară şi membrana reticului endoplasmic

transporta ionii de Ca2+ din citosol spre exteriorul celulei sau spre interiorul RE

mentinand concentraţia Ca2+ din citosol la un nivel redus astfel ca acesti ioni pot actiona ca semnale celulare)

P-ATPazele sunt astfel denumite (ldquoPrdquo) deoarece translocarea ionilor de o parte pe alta a membranei implica o modificare temporara covalenta a proteinei cu transferul fosfatului de pe ATP la gruparea carboxilica a acidului glutamatic (Glu) sau aspartic (Asp) din situsul activ Se formeaza o legătură cu energie inalta Icircntr-o etapă ulterioara fosfatul anorganic (Pi) este eliberat la fel şi ionul proteina revenind la starea initiala Pentru ca aceste proteine adopta două stari conformaţionale diferite (denumite E1 şi E2) ele au mai fost numite şi E1E2ATPaze

Mai jos va fi detaliaţa structura şi functionarea antiportorului Na+-K+-ATPaza Na+-K+-ATPaza Este un complex proteic membranar larg raspandit icircn celulele eucariote Se estimeaza ca circa 25 din totalul ATP citosolic din celulele umane icircn repaus este consumat de pompele de sodiu icircn vreme ce icircn celulele nervoase acest procent atinge 70 din ATP total

Na+-K+-ATPaza este un tetramer compus din patru subunităţi două subunităţi alfa (~113 kD) care sunt responsabile pentru transportul propriu-zis al ionilor şi de legarea ATP continand situsul de fosforilare şi două subunităţi mai mici beta (~35 kDa) Subunităţile beta sunt glicoproteine necesare activităţii complexului facilitand localizarea membranara şi activarea subunităţilor alfa

10

Transportul cationilor decurge prin intermediul unui ciclu de modificări conformaţionale datorate fosforilarii de la nivelul situsului activ din subunitatea alfa

bull Pompa cu ATP legat (starea conformaţionala E1) capteaza 3 ioni de Na+ de pe fata citosolică

bull ATP este hidrolizat fosfatul este transferat unei grupări carboxil din situsul de fosforilare aflat pe fata citosolică a pompei cu eliberare de ADP

bull Pricircntr-o modificare conformaţionala (starea E2) a carui mecanism este inca incert

pompa expune ionii de Na+ pe fata extracelulară unde ei sunt eliberati

bull Pompa leagă 2 ioni de K+ din mediul extracelular iar subunitatea alfa este defosforilata

bull ATP se leagă din nou iar pompa se reorienteaza eliberand ionii de K+ icircn citosol

bull Cu ATP legat de subunitatea alfa pompa (E1~ATP) este pregatita să lege ionii de Na+

iar ciclul se repeta

B V-ATPazele au fost initial identificate la eucariote şi mai exact icircn membrana vacuolelor (ldquoVrdquo) din celulele vegetale Ulterior V-ATPazele au fost descrise şi la bacterii Ele funcţionează ca pompe primare ce transporta protoni (in majoritatea cazurilor) sau ioni de

Na+ Ele contribuie la realizarea gradientilor transmembranari de protoni

C F-ATPazele se deosebesc de celelalte pompe ATPazice prin faptul ca sunt capabile nu numai de hidroliza ATP ci şi de sinteza ATP reprezentand enzime care contribuie la procesul de fosforilare (ldquoFrdquo) oxidativă (sinteza ATP cuplata cu respiratia) F-ATPazele sunt prezente la eucariote exclusiv icircn membrana mitocondriala şi cloroplastidiala interna icircn membranele bacteriilor şi arhebacteriilor (unde poarta numele de A-ATPaze) Desi funcţia principala este de a genera ATP pe seama gradientului electrochimic transmembranar susţinut icircn urma respiraţiei la unele bacteriui funcţia să este predominat hidrolazica generand potential electrochimic pe baza consumului de ATP Icircn laborator (in vitro) F-ATPazele pot functiona icircn ambele directii depinzand de condiţiile experimentale

11

D Proteinele transportoare de tip ABC (ATP-binding Cassetterdquo) au fost relativ recent descoperite şi reprezintă o clasa de proteine localizate atat icircn membrana plasmatică cat şi icircn membranele organitelor celulare Ele mediaza translocarea unor substrate variate ioni molecule organice (lipide acizi biliari conjugati glutationici şi glucuronici peptide mici) compuşi de sinteza (medicamente droguri) Majoritatea proteinelor ABC utilizează energia furnizata de hidroliza ATP (transport activ) icircnsă unele pot forma canale membranare specifice (de exemplu proteina CFTR reglatorul de conductanta transmembranara al fibrozei cistice care este un canal de clor) Aceste proteine sunt prezente la toate organismele vii de la bacterii la om (din cele peste 1000 de proteine ABC identificate 48 sunt tipic umane) Mutatii ale genelor ce codifică aceste proteine ABC au fost asociate cu numeroase maladii genetice (ex fibroza cistica) Avand posibilitatea de a lega şi transporta medicamente din şi inspre interiorul celulei proteinele ABC sunt raspunzatoare pentru esecul majoritatii tratamentelor medicale asupra bolnavilor de cancer care manifesta rezistenta la o serie de substanţe citotoxice (utilizate icircn chimioterapie) icircn rezistenta unor forme de malarie icircn dificultatea tratarii SIDA Aceste proteine ABC capabile de transportul medicamentelor şi apariţia rezistentei la tratamentele medicamentoase se numesc proteine MDR (ldquoMulti-drug resistancerdquo)

Un alt rol atribuit transportorilor de tip ABC este de facilitare a miscarii flip-flop (difuzie transversala) a lipidelor membranare şi de aceea aceste grup de proteine ABC se mai numesc flipaze dependente de ATP icircn general aceste translocaze de lipide transporta lipide din stratul intern pe fata externă a bistratului membranei cuplat cu transportul altor compuşi (acizi biliari medicamente)

Structura tipica a unei proteine de tip ABC constă din cel puţin 2 domenii transmembranare (TMD ldquoTransmembrane domainsrdquo) şi minimum 2 domenii de legare a ATP (ABC) Regiunile TMD ancoreaza proteina icircn membrana formand un por prin care trec o varietate remarcabila de substanţe Domeniul de legare al ATP este orientat spre fata citoplasmica şi la

12

nivelul ei se elibereaza energia ATP Nu se cunoaste modalitatea prin care energia este convertita de situsul ABC pentru a fi utilizată icircn transport şi nici mecanismul exact al transportului

Structura transportorilor de tip ABC icircn sectiune transversala (A) şi dispunerea peptidelor icircn spatiu (B)

Transportul activ secundar

Transportorii activi secundari cupleaza miscarea unei substanţe impotriva gradientului de concentraţie la schimb cu transportul altui ion icircn sensul gradientului sau de concentraţie Transportul activ secundar este intotdeauna un proces de co-transport fie de tip simport (ex

simportorii de Na+glucoza şi Na+aminoacizi) sau antiport (ex antiportorul Na+H+) Activitatea acestor transportori nu este asadar direct energizata de ATP ci indirect prin functionarea unor pompe primare de ATP care genereaza gradienti electrochimici Acesti gradienti constituie apoi motorul pentru transportorii secundari Cinetica transportului activ secundar este similara cu cea a difuziei facilitate La concentraţii foarte mari de substrat transportul este franat de lipsa unui număr suficient de proteine capabile să lege substratul existent Două exemple importante merita să fie amintite aici Simportorul Na+glucoza Transportorii secundari ai hexozelor sunt proteine transmembranare localizate icircn principal icircn celulele intestinale şi renale O semnificatie deosebita o au transportorii hexozelor (glucoza galactoza) de la polul apical

al celulelor din invelisul inestinal intern Simportorul Na+glucoza (prescurtat SGLUT) faciliteaza preluarea specifica a unei molecule de glucoza (si galactozei) din lumenul (cavitatea) intestinal(a) unde monozaharidele apar ca urmare a procesarii digestive a hranei

13

Glucoza este transportata din exteriorul celulei spre interior unde concentraţia acesteia este mult mai mare (impotriva gradientului de concentraţie) la schimb cu 2 ioni de sodiu Acest transport este posibil numai cu consum de energie iar forta motrice a functionarii simportului

este gradientul chimic de Na+ stabilit icircn urma functionarii pompelor primare dependente de ATP Glucoza este ulterior ldquodescarcatardquo icircn sange de unde ajunge la toate celulele organismului asigurand nutritia lor

Antiportorul Na+H+O parte din echilibrul ionic al celulelor este mentinut şi cu ajutorul unei clase de proteine

care transporta ionii de sodiu la schimb cu protoni Acestia sunt antiportorii Na+H+ (sau prescurtat Nha) care sunt prezenti icircn membrana plasmatică a celulelor bacteriene la celulele vegetale şi animale Forta motrice pentru functionarea acestor antiportori il reprezintă gradientul de pH generat icircn urma activităţii lantului respirator sau icircn urma functionarii unor

pompe primare de H+ Astfel 2 protoni sunt introdusi icircn citosol (in sensul gradientului de concentraţie) la schimb cu 3 ioni de sodiu care sunt expulzati impotriva gradientului de concentraţie Acest antiport are o semnificatie deosebita icircn cursul adaptarii la condiţii saline cacircnd concentraţia de saruri (NaCl sau NaHCO3Na2CO3) din mediul extern este foarte

mare Celula bacteriana şi vegetala au tendinta de a mentine concentraţia internă de ioni de sodiu icircn limite normale tocmai prin activitatea intensa a acestor antiportori

In celulele animale antiportorii de Na+H+ sunt distribuiti predominant la nivelul polului apical al celulelor renale implicate icircn formarea urinei Aceste celule au capacitatea de

a ldquorecuperardquo Na+ din urina (la nivelul membranei apicale) printr-un mecanism activ

secundar de simport Na+H+ Preluarea sodiului este posibila datorita ldquoaciditatiirdquo mediului intern celular care constituie motorul de deplasare a ionilor de sodiu spre interior (impotriva gradientului de concentraţie) Ionii de sodiu sunt mai departe transportati spre sange pentru a

se asigura tonicitatea acestuia prin polul bazal printr-un antiportor secundar Na+HCO3-

Mecanismele de transport ale Na+ K+ H+ apei glucozei sunt icircnsă mult mai subtile la acest nivel celulele renale avand capacitatea de a orienta migrarea acestor compuşi pentru asigurarea unui echilibru chimic electric şi de pH intre sange şi urina Orice dezechilibru genetic şi metabolic la acest nivel declanseaza boli ale rinichiului numite nefropatii şi boli ale sistemului cardiovascular (ex hipertensiune)

14

  • Permeabilitate şi transport
    • 31 Structura membranei celulare
      • 311 Lipidele membranare
      • 312 Proteinele membranare
      • 314 Fluiditatea membranei
        • 32 Rolul membranei celulare ndash procese de transport
          • 321 Permeabilitatea selectivă a membranei pentru neelectroliti şi ioni
          • 322 Transportul mediat de structuri speciale
          • 323 Transportul activ
          • 3231 Transportul activ primar
          • Transportul activ secundar
Page 7: Permeabilitate şi transport

decurge icircn sensul gradienilor electrochimici atunci se numeste transport pasiv (ex difuzia simpla şi difuzia facilitata) icircn schimb daca transportul reclama consum de energie şi se desfasoara impotriva gradientului chimic sau electric se numeste activ Difuzia facilitata Unii compuşi precum apa dar şi alti compuşi neelectrolitici precum glicerolul sau ureea protonii ionii hidroxil şi icircntr-o foarte mica masura anionii şi cationii pot difuza liber prin bistratul lipidic Exista icircnsă şi alte cai pasive neconsumatoare de energie prin care se realizează transportul substanţelor de o parte şi alta a membranei icircn sensul gradientilor de concentraţie şi anume prin intermediul ionoforilor şi a proteinelor-canal Ionoforii sunt polipeptide din categoria antibioticelor capabili de a realiza trecerea selectivă a unor ioni prin membrane lipidice Ionoforii incapsuleaza de obicei ionii printr-un proces de ciclizare sau semiciclizare şi transporta prin membrana conform gradientului electrochimic printr-un proces de dute-vino intre fetele membranei Exemple de ionofori ciclici şi ionii

transportati sunt valinomicina (K+) şi nigericina (K+ şi H+)

Alti ionofori sunt capabili de transportul ionilor prin asamblarea lor sub forma de canale sau pori membranari (gramicidina nistatina amfotericina) Ionoforii sunt icircnsă substanţe de origine artificiala şi au semnificatie experimentala icircn studiul fenomenelor de transport la nivelul membranelor O aplicatie practica direct resimtita de noi este efectul antibiotic al acestor ionofori prin permeabilizarea totala a celulelor bacteriene patogene cu consecinte letale pentru acestea (dezechilibru ionic poate fi fatal celulei)

O alta categorie de molecule implicate icircn difuzia facilitata a ionilor şi apei este cea a proteinelor-canal Ei sunt transportori naturali prezenti icircn membrane şi care poti fi operati icircn cateva moduri

Canale ope a)Canale operate de voltaj (voltage-gated channels) se deschid sau inchid ca raspuns la o schimbare a potentialului electric transmembranar icircn aceasta categorie intra

canalele de Na+ K+ şi Ca+ din membranele excitabile (din muschi şi sistemul nervos)

b)Canale operate chimic care raspund unui stimul chimic (hormoni sau neurotransmitatori) Aceste canale se gasesc la nivelul membranelor postsinaptice din jonctiunile neuromusculare

c)Canale care nu sunt reglate de un factor anume şi canale care sunt operate fizic (de exemplu sub acţiunea presiunii osmotice) Unii cercetatori le incadreaza icircn categoria porilor deoarece nu sunt considerate canale propriu-zise

In concluzie functia majora a canalelor ionice este de a facilita si de a regla pentru o foarte scurta perioada de timp miscarea ionilor in sensul gradientului de concentratie stabilit initial de o parte si alta a membranei plasmatice (celulare) sau membranei organitelor intracelulare aceasta disipare temporara a gradientului ionic determina o perturbare a functiilor celulare sau apare ca o necesitate de folosire predominanta a canalelor ionice

7

pentru traducerea semnalelor si transferul de informatie (ex la nivelul sinapselor nervoase)

O a treia categorie de molecule care mediaza transportul pasiv al substanţelor este cea a proteinelor-transportor (carriers sau carausi) Ele realizează trecerea unidirectionala icircn sensul gradientului chimic (pentru o specie neutra) sau electric (ioni) a unei singure substanţe (transport uniport)

Din punct de vedere enzimatic difuzia facilitata mediaţa de transportori are o cinetica de tip Michaelis-Menten fiind caracterizata de o viteza maxima (Vmax) şi o constanta

Michaelis (KM) spre deosebire de difuzia simpla care are o cinetica liniara

Exemple de transportori pasivi de tipul proteinelor-caraus sunt transportorul glucozei din membrana eritrocitara şi transportorii unor aminoacizi din membrana bacteriana

Cinetica difuziei simple şi facilitate

8

Difuzia facilitata a glucozei icircn care proteina-

caraus adopta mai multe stari conformaţionale

323 Transportul activ

Cand transportul unei substanţe este dependent de transportul altei substanţe afirmam ca transportul este cuplat Exista două categorii de transport cuplat antiport (contratransport sau difuzia de schimb substanţele sunt transportate icircn sens opus) şi simport (cotransport ambele specii chimice sunt transportate icircn acelasi sens) Teoretic transportul cuplat poate fi pasiv ca icircn cazul unor ionofori care realizează de

exemplul contratransportul K+H+ (nigericina) icircn realitate icircn membranele naturale vii diferenta (gradientul) electrochimic este mentinut prin procese consumatoare de energie iar simportul sau antiportul unor compuşi icircn sensul gradientului electrochimic este posibil numai icircn condiţiile icircn care celula mentine activ acest gradient Icircn acest caz putem spune ca transportul este cuplat secundar cu energia (transport activ secundar) Pe de alta parte o serie de transportori proteici realizează procese de transport cuplate direct cu consumul de energie (in speta cu hidroliza legaturilor macroergice ale ATP) Icircn acest caz transportorii sunt cuplati primar cu energia (transportori activ primar sau ldquopompe primarerdquo)

3231 Transportul activ primar

In transportul activ primar sunt implicate proteine care cupleaza translocarea unei substanţe (ioni sau molecule) impotriva gradientului chimic cu o sursa de energie Aceste surse de energie pot fi 1 Hidroliza ATP iar icircn acest caz transportorii proteici se numesc pompe (ionice) activate

de ATP Astfel de pompe cuplate cu activitatea ATP hidrolazica (ATPazica) sunt

exemplificate cel mai bine de Na+-K+-ATPaza care funcţionează ca transportor activ al

ionilor de Na+ dintr-un compartiment intracelular (cu concentraţie mica de Na+) spre

compartimentul extracelular (cu concentraţie ridicata de Na+) la schimb cu ionii de K+

9

care sunt translocati dinspre o concentraţie redusa din fluidul extracelular spre o

concentraţie de K+ ridicata din compartimentul intracelular (citosolic) Aceasta pompa este una dintre sursele majore de mentinere a potentialului electrochimic transmembranar

2 Razele luminoase Proteinele a caror funcţie transportoare este energizata sub acţiunea luminii se numesc ldquopompe (ionice) activate de luminardquo Pompele activate de lumina se intalnesc icircn membranele unor bacterii (de exemplu proteinele numite halorodopsina şi bacteriorodopsina)

Pompele ATPazice Transportorii primari de tipul ATPazelor indeplinesc roluri vitale pentru celula şi sunt raspanditi icircn toate organismele vii (procariote şi eucariote celule vegetale şi animale deopotriva) Pompele activate de ATP pot fi impartite icircn patru clase icircn funcţie de caracteristicile lor structural-functionale P-ATPaze V-ATPaze F-ATPaze şi proteine de tip ABC A P-ATPazele sunt o clasa de transportori inruditi genetic şi structural Ele includ

antiportorul Na+-K+-ATPaza (al carui rol a fost explicat mai sus) antiportorul K+-H+-ATPaza (implicat icircn generarea aciditatii din stomac prin transportul de protoni spre

exteriorul celulei icircn cavitatea stomacala la schimb cu ionii de K+ care patrund icircn celula)

şi Ca2+-ATPaza (prezenta icircn membrana celulară şi membrana reticului endoplasmic

transporta ionii de Ca2+ din citosol spre exteriorul celulei sau spre interiorul RE

mentinand concentraţia Ca2+ din citosol la un nivel redus astfel ca acesti ioni pot actiona ca semnale celulare)

P-ATPazele sunt astfel denumite (ldquoPrdquo) deoarece translocarea ionilor de o parte pe alta a membranei implica o modificare temporara covalenta a proteinei cu transferul fosfatului de pe ATP la gruparea carboxilica a acidului glutamatic (Glu) sau aspartic (Asp) din situsul activ Se formeaza o legătură cu energie inalta Icircntr-o etapă ulterioara fosfatul anorganic (Pi) este eliberat la fel şi ionul proteina revenind la starea initiala Pentru ca aceste proteine adopta două stari conformaţionale diferite (denumite E1 şi E2) ele au mai fost numite şi E1E2ATPaze

Mai jos va fi detaliaţa structura şi functionarea antiportorului Na+-K+-ATPaza Na+-K+-ATPaza Este un complex proteic membranar larg raspandit icircn celulele eucariote Se estimeaza ca circa 25 din totalul ATP citosolic din celulele umane icircn repaus este consumat de pompele de sodiu icircn vreme ce icircn celulele nervoase acest procent atinge 70 din ATP total

Na+-K+-ATPaza este un tetramer compus din patru subunităţi două subunităţi alfa (~113 kD) care sunt responsabile pentru transportul propriu-zis al ionilor şi de legarea ATP continand situsul de fosforilare şi două subunităţi mai mici beta (~35 kDa) Subunităţile beta sunt glicoproteine necesare activităţii complexului facilitand localizarea membranara şi activarea subunităţilor alfa

10

Transportul cationilor decurge prin intermediul unui ciclu de modificări conformaţionale datorate fosforilarii de la nivelul situsului activ din subunitatea alfa

bull Pompa cu ATP legat (starea conformaţionala E1) capteaza 3 ioni de Na+ de pe fata citosolică

bull ATP este hidrolizat fosfatul este transferat unei grupări carboxil din situsul de fosforilare aflat pe fata citosolică a pompei cu eliberare de ADP

bull Pricircntr-o modificare conformaţionala (starea E2) a carui mecanism este inca incert

pompa expune ionii de Na+ pe fata extracelulară unde ei sunt eliberati

bull Pompa leagă 2 ioni de K+ din mediul extracelular iar subunitatea alfa este defosforilata

bull ATP se leagă din nou iar pompa se reorienteaza eliberand ionii de K+ icircn citosol

bull Cu ATP legat de subunitatea alfa pompa (E1~ATP) este pregatita să lege ionii de Na+

iar ciclul se repeta

B V-ATPazele au fost initial identificate la eucariote şi mai exact icircn membrana vacuolelor (ldquoVrdquo) din celulele vegetale Ulterior V-ATPazele au fost descrise şi la bacterii Ele funcţionează ca pompe primare ce transporta protoni (in majoritatea cazurilor) sau ioni de

Na+ Ele contribuie la realizarea gradientilor transmembranari de protoni

C F-ATPazele se deosebesc de celelalte pompe ATPazice prin faptul ca sunt capabile nu numai de hidroliza ATP ci şi de sinteza ATP reprezentand enzime care contribuie la procesul de fosforilare (ldquoFrdquo) oxidativă (sinteza ATP cuplata cu respiratia) F-ATPazele sunt prezente la eucariote exclusiv icircn membrana mitocondriala şi cloroplastidiala interna icircn membranele bacteriilor şi arhebacteriilor (unde poarta numele de A-ATPaze) Desi funcţia principala este de a genera ATP pe seama gradientului electrochimic transmembranar susţinut icircn urma respiraţiei la unele bacteriui funcţia să este predominat hidrolazica generand potential electrochimic pe baza consumului de ATP Icircn laborator (in vitro) F-ATPazele pot functiona icircn ambele directii depinzand de condiţiile experimentale

11

D Proteinele transportoare de tip ABC (ATP-binding Cassetterdquo) au fost relativ recent descoperite şi reprezintă o clasa de proteine localizate atat icircn membrana plasmatică cat şi icircn membranele organitelor celulare Ele mediaza translocarea unor substrate variate ioni molecule organice (lipide acizi biliari conjugati glutationici şi glucuronici peptide mici) compuşi de sinteza (medicamente droguri) Majoritatea proteinelor ABC utilizează energia furnizata de hidroliza ATP (transport activ) icircnsă unele pot forma canale membranare specifice (de exemplu proteina CFTR reglatorul de conductanta transmembranara al fibrozei cistice care este un canal de clor) Aceste proteine sunt prezente la toate organismele vii de la bacterii la om (din cele peste 1000 de proteine ABC identificate 48 sunt tipic umane) Mutatii ale genelor ce codifică aceste proteine ABC au fost asociate cu numeroase maladii genetice (ex fibroza cistica) Avand posibilitatea de a lega şi transporta medicamente din şi inspre interiorul celulei proteinele ABC sunt raspunzatoare pentru esecul majoritatii tratamentelor medicale asupra bolnavilor de cancer care manifesta rezistenta la o serie de substanţe citotoxice (utilizate icircn chimioterapie) icircn rezistenta unor forme de malarie icircn dificultatea tratarii SIDA Aceste proteine ABC capabile de transportul medicamentelor şi apariţia rezistentei la tratamentele medicamentoase se numesc proteine MDR (ldquoMulti-drug resistancerdquo)

Un alt rol atribuit transportorilor de tip ABC este de facilitare a miscarii flip-flop (difuzie transversala) a lipidelor membranare şi de aceea aceste grup de proteine ABC se mai numesc flipaze dependente de ATP icircn general aceste translocaze de lipide transporta lipide din stratul intern pe fata externă a bistratului membranei cuplat cu transportul altor compuşi (acizi biliari medicamente)

Structura tipica a unei proteine de tip ABC constă din cel puţin 2 domenii transmembranare (TMD ldquoTransmembrane domainsrdquo) şi minimum 2 domenii de legare a ATP (ABC) Regiunile TMD ancoreaza proteina icircn membrana formand un por prin care trec o varietate remarcabila de substanţe Domeniul de legare al ATP este orientat spre fata citoplasmica şi la

12

nivelul ei se elibereaza energia ATP Nu se cunoaste modalitatea prin care energia este convertita de situsul ABC pentru a fi utilizată icircn transport şi nici mecanismul exact al transportului

Structura transportorilor de tip ABC icircn sectiune transversala (A) şi dispunerea peptidelor icircn spatiu (B)

Transportul activ secundar

Transportorii activi secundari cupleaza miscarea unei substanţe impotriva gradientului de concentraţie la schimb cu transportul altui ion icircn sensul gradientului sau de concentraţie Transportul activ secundar este intotdeauna un proces de co-transport fie de tip simport (ex

simportorii de Na+glucoza şi Na+aminoacizi) sau antiport (ex antiportorul Na+H+) Activitatea acestor transportori nu este asadar direct energizata de ATP ci indirect prin functionarea unor pompe primare de ATP care genereaza gradienti electrochimici Acesti gradienti constituie apoi motorul pentru transportorii secundari Cinetica transportului activ secundar este similara cu cea a difuziei facilitate La concentraţii foarte mari de substrat transportul este franat de lipsa unui număr suficient de proteine capabile să lege substratul existent Două exemple importante merita să fie amintite aici Simportorul Na+glucoza Transportorii secundari ai hexozelor sunt proteine transmembranare localizate icircn principal icircn celulele intestinale şi renale O semnificatie deosebita o au transportorii hexozelor (glucoza galactoza) de la polul apical

al celulelor din invelisul inestinal intern Simportorul Na+glucoza (prescurtat SGLUT) faciliteaza preluarea specifica a unei molecule de glucoza (si galactozei) din lumenul (cavitatea) intestinal(a) unde monozaharidele apar ca urmare a procesarii digestive a hranei

13

Glucoza este transportata din exteriorul celulei spre interior unde concentraţia acesteia este mult mai mare (impotriva gradientului de concentraţie) la schimb cu 2 ioni de sodiu Acest transport este posibil numai cu consum de energie iar forta motrice a functionarii simportului

este gradientul chimic de Na+ stabilit icircn urma functionarii pompelor primare dependente de ATP Glucoza este ulterior ldquodescarcatardquo icircn sange de unde ajunge la toate celulele organismului asigurand nutritia lor

Antiportorul Na+H+O parte din echilibrul ionic al celulelor este mentinut şi cu ajutorul unei clase de proteine

care transporta ionii de sodiu la schimb cu protoni Acestia sunt antiportorii Na+H+ (sau prescurtat Nha) care sunt prezenti icircn membrana plasmatică a celulelor bacteriene la celulele vegetale şi animale Forta motrice pentru functionarea acestor antiportori il reprezintă gradientul de pH generat icircn urma activităţii lantului respirator sau icircn urma functionarii unor

pompe primare de H+ Astfel 2 protoni sunt introdusi icircn citosol (in sensul gradientului de concentraţie) la schimb cu 3 ioni de sodiu care sunt expulzati impotriva gradientului de concentraţie Acest antiport are o semnificatie deosebita icircn cursul adaptarii la condiţii saline cacircnd concentraţia de saruri (NaCl sau NaHCO3Na2CO3) din mediul extern este foarte

mare Celula bacteriana şi vegetala au tendinta de a mentine concentraţia internă de ioni de sodiu icircn limite normale tocmai prin activitatea intensa a acestor antiportori

In celulele animale antiportorii de Na+H+ sunt distribuiti predominant la nivelul polului apical al celulelor renale implicate icircn formarea urinei Aceste celule au capacitatea de

a ldquorecuperardquo Na+ din urina (la nivelul membranei apicale) printr-un mecanism activ

secundar de simport Na+H+ Preluarea sodiului este posibila datorita ldquoaciditatiirdquo mediului intern celular care constituie motorul de deplasare a ionilor de sodiu spre interior (impotriva gradientului de concentraţie) Ionii de sodiu sunt mai departe transportati spre sange pentru a

se asigura tonicitatea acestuia prin polul bazal printr-un antiportor secundar Na+HCO3-

Mecanismele de transport ale Na+ K+ H+ apei glucozei sunt icircnsă mult mai subtile la acest nivel celulele renale avand capacitatea de a orienta migrarea acestor compuşi pentru asigurarea unui echilibru chimic electric şi de pH intre sange şi urina Orice dezechilibru genetic şi metabolic la acest nivel declanseaza boli ale rinichiului numite nefropatii şi boli ale sistemului cardiovascular (ex hipertensiune)

14

  • Permeabilitate şi transport
    • 31 Structura membranei celulare
      • 311 Lipidele membranare
      • 312 Proteinele membranare
      • 314 Fluiditatea membranei
        • 32 Rolul membranei celulare ndash procese de transport
          • 321 Permeabilitatea selectivă a membranei pentru neelectroliti şi ioni
          • 322 Transportul mediat de structuri speciale
          • 323 Transportul activ
          • 3231 Transportul activ primar
          • Transportul activ secundar
Page 8: Permeabilitate şi transport

pentru traducerea semnalelor si transferul de informatie (ex la nivelul sinapselor nervoase)

O a treia categorie de molecule care mediaza transportul pasiv al substanţelor este cea a proteinelor-transportor (carriers sau carausi) Ele realizează trecerea unidirectionala icircn sensul gradientului chimic (pentru o specie neutra) sau electric (ioni) a unei singure substanţe (transport uniport)

Din punct de vedere enzimatic difuzia facilitata mediaţa de transportori are o cinetica de tip Michaelis-Menten fiind caracterizata de o viteza maxima (Vmax) şi o constanta

Michaelis (KM) spre deosebire de difuzia simpla care are o cinetica liniara

Exemple de transportori pasivi de tipul proteinelor-caraus sunt transportorul glucozei din membrana eritrocitara şi transportorii unor aminoacizi din membrana bacteriana

Cinetica difuziei simple şi facilitate

8

Difuzia facilitata a glucozei icircn care proteina-

caraus adopta mai multe stari conformaţionale

323 Transportul activ

Cand transportul unei substanţe este dependent de transportul altei substanţe afirmam ca transportul este cuplat Exista două categorii de transport cuplat antiport (contratransport sau difuzia de schimb substanţele sunt transportate icircn sens opus) şi simport (cotransport ambele specii chimice sunt transportate icircn acelasi sens) Teoretic transportul cuplat poate fi pasiv ca icircn cazul unor ionofori care realizează de

exemplul contratransportul K+H+ (nigericina) icircn realitate icircn membranele naturale vii diferenta (gradientul) electrochimic este mentinut prin procese consumatoare de energie iar simportul sau antiportul unor compuşi icircn sensul gradientului electrochimic este posibil numai icircn condiţiile icircn care celula mentine activ acest gradient Icircn acest caz putem spune ca transportul este cuplat secundar cu energia (transport activ secundar) Pe de alta parte o serie de transportori proteici realizează procese de transport cuplate direct cu consumul de energie (in speta cu hidroliza legaturilor macroergice ale ATP) Icircn acest caz transportorii sunt cuplati primar cu energia (transportori activ primar sau ldquopompe primarerdquo)

3231 Transportul activ primar

In transportul activ primar sunt implicate proteine care cupleaza translocarea unei substanţe (ioni sau molecule) impotriva gradientului chimic cu o sursa de energie Aceste surse de energie pot fi 1 Hidroliza ATP iar icircn acest caz transportorii proteici se numesc pompe (ionice) activate

de ATP Astfel de pompe cuplate cu activitatea ATP hidrolazica (ATPazica) sunt

exemplificate cel mai bine de Na+-K+-ATPaza care funcţionează ca transportor activ al

ionilor de Na+ dintr-un compartiment intracelular (cu concentraţie mica de Na+) spre

compartimentul extracelular (cu concentraţie ridicata de Na+) la schimb cu ionii de K+

9

care sunt translocati dinspre o concentraţie redusa din fluidul extracelular spre o

concentraţie de K+ ridicata din compartimentul intracelular (citosolic) Aceasta pompa este una dintre sursele majore de mentinere a potentialului electrochimic transmembranar

2 Razele luminoase Proteinele a caror funcţie transportoare este energizata sub acţiunea luminii se numesc ldquopompe (ionice) activate de luminardquo Pompele activate de lumina se intalnesc icircn membranele unor bacterii (de exemplu proteinele numite halorodopsina şi bacteriorodopsina)

Pompele ATPazice Transportorii primari de tipul ATPazelor indeplinesc roluri vitale pentru celula şi sunt raspanditi icircn toate organismele vii (procariote şi eucariote celule vegetale şi animale deopotriva) Pompele activate de ATP pot fi impartite icircn patru clase icircn funcţie de caracteristicile lor structural-functionale P-ATPaze V-ATPaze F-ATPaze şi proteine de tip ABC A P-ATPazele sunt o clasa de transportori inruditi genetic şi structural Ele includ

antiportorul Na+-K+-ATPaza (al carui rol a fost explicat mai sus) antiportorul K+-H+-ATPaza (implicat icircn generarea aciditatii din stomac prin transportul de protoni spre

exteriorul celulei icircn cavitatea stomacala la schimb cu ionii de K+ care patrund icircn celula)

şi Ca2+-ATPaza (prezenta icircn membrana celulară şi membrana reticului endoplasmic

transporta ionii de Ca2+ din citosol spre exteriorul celulei sau spre interiorul RE

mentinand concentraţia Ca2+ din citosol la un nivel redus astfel ca acesti ioni pot actiona ca semnale celulare)

P-ATPazele sunt astfel denumite (ldquoPrdquo) deoarece translocarea ionilor de o parte pe alta a membranei implica o modificare temporara covalenta a proteinei cu transferul fosfatului de pe ATP la gruparea carboxilica a acidului glutamatic (Glu) sau aspartic (Asp) din situsul activ Se formeaza o legătură cu energie inalta Icircntr-o etapă ulterioara fosfatul anorganic (Pi) este eliberat la fel şi ionul proteina revenind la starea initiala Pentru ca aceste proteine adopta două stari conformaţionale diferite (denumite E1 şi E2) ele au mai fost numite şi E1E2ATPaze

Mai jos va fi detaliaţa structura şi functionarea antiportorului Na+-K+-ATPaza Na+-K+-ATPaza Este un complex proteic membranar larg raspandit icircn celulele eucariote Se estimeaza ca circa 25 din totalul ATP citosolic din celulele umane icircn repaus este consumat de pompele de sodiu icircn vreme ce icircn celulele nervoase acest procent atinge 70 din ATP total

Na+-K+-ATPaza este un tetramer compus din patru subunităţi două subunităţi alfa (~113 kD) care sunt responsabile pentru transportul propriu-zis al ionilor şi de legarea ATP continand situsul de fosforilare şi două subunităţi mai mici beta (~35 kDa) Subunităţile beta sunt glicoproteine necesare activităţii complexului facilitand localizarea membranara şi activarea subunităţilor alfa

10

Transportul cationilor decurge prin intermediul unui ciclu de modificări conformaţionale datorate fosforilarii de la nivelul situsului activ din subunitatea alfa

bull Pompa cu ATP legat (starea conformaţionala E1) capteaza 3 ioni de Na+ de pe fata citosolică

bull ATP este hidrolizat fosfatul este transferat unei grupări carboxil din situsul de fosforilare aflat pe fata citosolică a pompei cu eliberare de ADP

bull Pricircntr-o modificare conformaţionala (starea E2) a carui mecanism este inca incert

pompa expune ionii de Na+ pe fata extracelulară unde ei sunt eliberati

bull Pompa leagă 2 ioni de K+ din mediul extracelular iar subunitatea alfa este defosforilata

bull ATP se leagă din nou iar pompa se reorienteaza eliberand ionii de K+ icircn citosol

bull Cu ATP legat de subunitatea alfa pompa (E1~ATP) este pregatita să lege ionii de Na+

iar ciclul se repeta

B V-ATPazele au fost initial identificate la eucariote şi mai exact icircn membrana vacuolelor (ldquoVrdquo) din celulele vegetale Ulterior V-ATPazele au fost descrise şi la bacterii Ele funcţionează ca pompe primare ce transporta protoni (in majoritatea cazurilor) sau ioni de

Na+ Ele contribuie la realizarea gradientilor transmembranari de protoni

C F-ATPazele se deosebesc de celelalte pompe ATPazice prin faptul ca sunt capabile nu numai de hidroliza ATP ci şi de sinteza ATP reprezentand enzime care contribuie la procesul de fosforilare (ldquoFrdquo) oxidativă (sinteza ATP cuplata cu respiratia) F-ATPazele sunt prezente la eucariote exclusiv icircn membrana mitocondriala şi cloroplastidiala interna icircn membranele bacteriilor şi arhebacteriilor (unde poarta numele de A-ATPaze) Desi funcţia principala este de a genera ATP pe seama gradientului electrochimic transmembranar susţinut icircn urma respiraţiei la unele bacteriui funcţia să este predominat hidrolazica generand potential electrochimic pe baza consumului de ATP Icircn laborator (in vitro) F-ATPazele pot functiona icircn ambele directii depinzand de condiţiile experimentale

11

D Proteinele transportoare de tip ABC (ATP-binding Cassetterdquo) au fost relativ recent descoperite şi reprezintă o clasa de proteine localizate atat icircn membrana plasmatică cat şi icircn membranele organitelor celulare Ele mediaza translocarea unor substrate variate ioni molecule organice (lipide acizi biliari conjugati glutationici şi glucuronici peptide mici) compuşi de sinteza (medicamente droguri) Majoritatea proteinelor ABC utilizează energia furnizata de hidroliza ATP (transport activ) icircnsă unele pot forma canale membranare specifice (de exemplu proteina CFTR reglatorul de conductanta transmembranara al fibrozei cistice care este un canal de clor) Aceste proteine sunt prezente la toate organismele vii de la bacterii la om (din cele peste 1000 de proteine ABC identificate 48 sunt tipic umane) Mutatii ale genelor ce codifică aceste proteine ABC au fost asociate cu numeroase maladii genetice (ex fibroza cistica) Avand posibilitatea de a lega şi transporta medicamente din şi inspre interiorul celulei proteinele ABC sunt raspunzatoare pentru esecul majoritatii tratamentelor medicale asupra bolnavilor de cancer care manifesta rezistenta la o serie de substanţe citotoxice (utilizate icircn chimioterapie) icircn rezistenta unor forme de malarie icircn dificultatea tratarii SIDA Aceste proteine ABC capabile de transportul medicamentelor şi apariţia rezistentei la tratamentele medicamentoase se numesc proteine MDR (ldquoMulti-drug resistancerdquo)

Un alt rol atribuit transportorilor de tip ABC este de facilitare a miscarii flip-flop (difuzie transversala) a lipidelor membranare şi de aceea aceste grup de proteine ABC se mai numesc flipaze dependente de ATP icircn general aceste translocaze de lipide transporta lipide din stratul intern pe fata externă a bistratului membranei cuplat cu transportul altor compuşi (acizi biliari medicamente)

Structura tipica a unei proteine de tip ABC constă din cel puţin 2 domenii transmembranare (TMD ldquoTransmembrane domainsrdquo) şi minimum 2 domenii de legare a ATP (ABC) Regiunile TMD ancoreaza proteina icircn membrana formand un por prin care trec o varietate remarcabila de substanţe Domeniul de legare al ATP este orientat spre fata citoplasmica şi la

12

nivelul ei se elibereaza energia ATP Nu se cunoaste modalitatea prin care energia este convertita de situsul ABC pentru a fi utilizată icircn transport şi nici mecanismul exact al transportului

Structura transportorilor de tip ABC icircn sectiune transversala (A) şi dispunerea peptidelor icircn spatiu (B)

Transportul activ secundar

Transportorii activi secundari cupleaza miscarea unei substanţe impotriva gradientului de concentraţie la schimb cu transportul altui ion icircn sensul gradientului sau de concentraţie Transportul activ secundar este intotdeauna un proces de co-transport fie de tip simport (ex

simportorii de Na+glucoza şi Na+aminoacizi) sau antiport (ex antiportorul Na+H+) Activitatea acestor transportori nu este asadar direct energizata de ATP ci indirect prin functionarea unor pompe primare de ATP care genereaza gradienti electrochimici Acesti gradienti constituie apoi motorul pentru transportorii secundari Cinetica transportului activ secundar este similara cu cea a difuziei facilitate La concentraţii foarte mari de substrat transportul este franat de lipsa unui număr suficient de proteine capabile să lege substratul existent Două exemple importante merita să fie amintite aici Simportorul Na+glucoza Transportorii secundari ai hexozelor sunt proteine transmembranare localizate icircn principal icircn celulele intestinale şi renale O semnificatie deosebita o au transportorii hexozelor (glucoza galactoza) de la polul apical

al celulelor din invelisul inestinal intern Simportorul Na+glucoza (prescurtat SGLUT) faciliteaza preluarea specifica a unei molecule de glucoza (si galactozei) din lumenul (cavitatea) intestinal(a) unde monozaharidele apar ca urmare a procesarii digestive a hranei

13

Glucoza este transportata din exteriorul celulei spre interior unde concentraţia acesteia este mult mai mare (impotriva gradientului de concentraţie) la schimb cu 2 ioni de sodiu Acest transport este posibil numai cu consum de energie iar forta motrice a functionarii simportului

este gradientul chimic de Na+ stabilit icircn urma functionarii pompelor primare dependente de ATP Glucoza este ulterior ldquodescarcatardquo icircn sange de unde ajunge la toate celulele organismului asigurand nutritia lor

Antiportorul Na+H+O parte din echilibrul ionic al celulelor este mentinut şi cu ajutorul unei clase de proteine

care transporta ionii de sodiu la schimb cu protoni Acestia sunt antiportorii Na+H+ (sau prescurtat Nha) care sunt prezenti icircn membrana plasmatică a celulelor bacteriene la celulele vegetale şi animale Forta motrice pentru functionarea acestor antiportori il reprezintă gradientul de pH generat icircn urma activităţii lantului respirator sau icircn urma functionarii unor

pompe primare de H+ Astfel 2 protoni sunt introdusi icircn citosol (in sensul gradientului de concentraţie) la schimb cu 3 ioni de sodiu care sunt expulzati impotriva gradientului de concentraţie Acest antiport are o semnificatie deosebita icircn cursul adaptarii la condiţii saline cacircnd concentraţia de saruri (NaCl sau NaHCO3Na2CO3) din mediul extern este foarte

mare Celula bacteriana şi vegetala au tendinta de a mentine concentraţia internă de ioni de sodiu icircn limite normale tocmai prin activitatea intensa a acestor antiportori

In celulele animale antiportorii de Na+H+ sunt distribuiti predominant la nivelul polului apical al celulelor renale implicate icircn formarea urinei Aceste celule au capacitatea de

a ldquorecuperardquo Na+ din urina (la nivelul membranei apicale) printr-un mecanism activ

secundar de simport Na+H+ Preluarea sodiului este posibila datorita ldquoaciditatiirdquo mediului intern celular care constituie motorul de deplasare a ionilor de sodiu spre interior (impotriva gradientului de concentraţie) Ionii de sodiu sunt mai departe transportati spre sange pentru a

se asigura tonicitatea acestuia prin polul bazal printr-un antiportor secundar Na+HCO3-

Mecanismele de transport ale Na+ K+ H+ apei glucozei sunt icircnsă mult mai subtile la acest nivel celulele renale avand capacitatea de a orienta migrarea acestor compuşi pentru asigurarea unui echilibru chimic electric şi de pH intre sange şi urina Orice dezechilibru genetic şi metabolic la acest nivel declanseaza boli ale rinichiului numite nefropatii şi boli ale sistemului cardiovascular (ex hipertensiune)

14

  • Permeabilitate şi transport
    • 31 Structura membranei celulare
      • 311 Lipidele membranare
      • 312 Proteinele membranare
      • 314 Fluiditatea membranei
        • 32 Rolul membranei celulare ndash procese de transport
          • 321 Permeabilitatea selectivă a membranei pentru neelectroliti şi ioni
          • 322 Transportul mediat de structuri speciale
          • 323 Transportul activ
          • 3231 Transportul activ primar
          • Transportul activ secundar
Page 9: Permeabilitate şi transport

Difuzia facilitata a glucozei icircn care proteina-

caraus adopta mai multe stari conformaţionale

323 Transportul activ

Cand transportul unei substanţe este dependent de transportul altei substanţe afirmam ca transportul este cuplat Exista două categorii de transport cuplat antiport (contratransport sau difuzia de schimb substanţele sunt transportate icircn sens opus) şi simport (cotransport ambele specii chimice sunt transportate icircn acelasi sens) Teoretic transportul cuplat poate fi pasiv ca icircn cazul unor ionofori care realizează de

exemplul contratransportul K+H+ (nigericina) icircn realitate icircn membranele naturale vii diferenta (gradientul) electrochimic este mentinut prin procese consumatoare de energie iar simportul sau antiportul unor compuşi icircn sensul gradientului electrochimic este posibil numai icircn condiţiile icircn care celula mentine activ acest gradient Icircn acest caz putem spune ca transportul este cuplat secundar cu energia (transport activ secundar) Pe de alta parte o serie de transportori proteici realizează procese de transport cuplate direct cu consumul de energie (in speta cu hidroliza legaturilor macroergice ale ATP) Icircn acest caz transportorii sunt cuplati primar cu energia (transportori activ primar sau ldquopompe primarerdquo)

3231 Transportul activ primar

In transportul activ primar sunt implicate proteine care cupleaza translocarea unei substanţe (ioni sau molecule) impotriva gradientului chimic cu o sursa de energie Aceste surse de energie pot fi 1 Hidroliza ATP iar icircn acest caz transportorii proteici se numesc pompe (ionice) activate

de ATP Astfel de pompe cuplate cu activitatea ATP hidrolazica (ATPazica) sunt

exemplificate cel mai bine de Na+-K+-ATPaza care funcţionează ca transportor activ al

ionilor de Na+ dintr-un compartiment intracelular (cu concentraţie mica de Na+) spre

compartimentul extracelular (cu concentraţie ridicata de Na+) la schimb cu ionii de K+

9

care sunt translocati dinspre o concentraţie redusa din fluidul extracelular spre o

concentraţie de K+ ridicata din compartimentul intracelular (citosolic) Aceasta pompa este una dintre sursele majore de mentinere a potentialului electrochimic transmembranar

2 Razele luminoase Proteinele a caror funcţie transportoare este energizata sub acţiunea luminii se numesc ldquopompe (ionice) activate de luminardquo Pompele activate de lumina se intalnesc icircn membranele unor bacterii (de exemplu proteinele numite halorodopsina şi bacteriorodopsina)

Pompele ATPazice Transportorii primari de tipul ATPazelor indeplinesc roluri vitale pentru celula şi sunt raspanditi icircn toate organismele vii (procariote şi eucariote celule vegetale şi animale deopotriva) Pompele activate de ATP pot fi impartite icircn patru clase icircn funcţie de caracteristicile lor structural-functionale P-ATPaze V-ATPaze F-ATPaze şi proteine de tip ABC A P-ATPazele sunt o clasa de transportori inruditi genetic şi structural Ele includ

antiportorul Na+-K+-ATPaza (al carui rol a fost explicat mai sus) antiportorul K+-H+-ATPaza (implicat icircn generarea aciditatii din stomac prin transportul de protoni spre

exteriorul celulei icircn cavitatea stomacala la schimb cu ionii de K+ care patrund icircn celula)

şi Ca2+-ATPaza (prezenta icircn membrana celulară şi membrana reticului endoplasmic

transporta ionii de Ca2+ din citosol spre exteriorul celulei sau spre interiorul RE

mentinand concentraţia Ca2+ din citosol la un nivel redus astfel ca acesti ioni pot actiona ca semnale celulare)

P-ATPazele sunt astfel denumite (ldquoPrdquo) deoarece translocarea ionilor de o parte pe alta a membranei implica o modificare temporara covalenta a proteinei cu transferul fosfatului de pe ATP la gruparea carboxilica a acidului glutamatic (Glu) sau aspartic (Asp) din situsul activ Se formeaza o legătură cu energie inalta Icircntr-o etapă ulterioara fosfatul anorganic (Pi) este eliberat la fel şi ionul proteina revenind la starea initiala Pentru ca aceste proteine adopta două stari conformaţionale diferite (denumite E1 şi E2) ele au mai fost numite şi E1E2ATPaze

Mai jos va fi detaliaţa structura şi functionarea antiportorului Na+-K+-ATPaza Na+-K+-ATPaza Este un complex proteic membranar larg raspandit icircn celulele eucariote Se estimeaza ca circa 25 din totalul ATP citosolic din celulele umane icircn repaus este consumat de pompele de sodiu icircn vreme ce icircn celulele nervoase acest procent atinge 70 din ATP total

Na+-K+-ATPaza este un tetramer compus din patru subunităţi două subunităţi alfa (~113 kD) care sunt responsabile pentru transportul propriu-zis al ionilor şi de legarea ATP continand situsul de fosforilare şi două subunităţi mai mici beta (~35 kDa) Subunităţile beta sunt glicoproteine necesare activităţii complexului facilitand localizarea membranara şi activarea subunităţilor alfa

10

Transportul cationilor decurge prin intermediul unui ciclu de modificări conformaţionale datorate fosforilarii de la nivelul situsului activ din subunitatea alfa

bull Pompa cu ATP legat (starea conformaţionala E1) capteaza 3 ioni de Na+ de pe fata citosolică

bull ATP este hidrolizat fosfatul este transferat unei grupări carboxil din situsul de fosforilare aflat pe fata citosolică a pompei cu eliberare de ADP

bull Pricircntr-o modificare conformaţionala (starea E2) a carui mecanism este inca incert

pompa expune ionii de Na+ pe fata extracelulară unde ei sunt eliberati

bull Pompa leagă 2 ioni de K+ din mediul extracelular iar subunitatea alfa este defosforilata

bull ATP se leagă din nou iar pompa se reorienteaza eliberand ionii de K+ icircn citosol

bull Cu ATP legat de subunitatea alfa pompa (E1~ATP) este pregatita să lege ionii de Na+

iar ciclul se repeta

B V-ATPazele au fost initial identificate la eucariote şi mai exact icircn membrana vacuolelor (ldquoVrdquo) din celulele vegetale Ulterior V-ATPazele au fost descrise şi la bacterii Ele funcţionează ca pompe primare ce transporta protoni (in majoritatea cazurilor) sau ioni de

Na+ Ele contribuie la realizarea gradientilor transmembranari de protoni

C F-ATPazele se deosebesc de celelalte pompe ATPazice prin faptul ca sunt capabile nu numai de hidroliza ATP ci şi de sinteza ATP reprezentand enzime care contribuie la procesul de fosforilare (ldquoFrdquo) oxidativă (sinteza ATP cuplata cu respiratia) F-ATPazele sunt prezente la eucariote exclusiv icircn membrana mitocondriala şi cloroplastidiala interna icircn membranele bacteriilor şi arhebacteriilor (unde poarta numele de A-ATPaze) Desi funcţia principala este de a genera ATP pe seama gradientului electrochimic transmembranar susţinut icircn urma respiraţiei la unele bacteriui funcţia să este predominat hidrolazica generand potential electrochimic pe baza consumului de ATP Icircn laborator (in vitro) F-ATPazele pot functiona icircn ambele directii depinzand de condiţiile experimentale

11

D Proteinele transportoare de tip ABC (ATP-binding Cassetterdquo) au fost relativ recent descoperite şi reprezintă o clasa de proteine localizate atat icircn membrana plasmatică cat şi icircn membranele organitelor celulare Ele mediaza translocarea unor substrate variate ioni molecule organice (lipide acizi biliari conjugati glutationici şi glucuronici peptide mici) compuşi de sinteza (medicamente droguri) Majoritatea proteinelor ABC utilizează energia furnizata de hidroliza ATP (transport activ) icircnsă unele pot forma canale membranare specifice (de exemplu proteina CFTR reglatorul de conductanta transmembranara al fibrozei cistice care este un canal de clor) Aceste proteine sunt prezente la toate organismele vii de la bacterii la om (din cele peste 1000 de proteine ABC identificate 48 sunt tipic umane) Mutatii ale genelor ce codifică aceste proteine ABC au fost asociate cu numeroase maladii genetice (ex fibroza cistica) Avand posibilitatea de a lega şi transporta medicamente din şi inspre interiorul celulei proteinele ABC sunt raspunzatoare pentru esecul majoritatii tratamentelor medicale asupra bolnavilor de cancer care manifesta rezistenta la o serie de substanţe citotoxice (utilizate icircn chimioterapie) icircn rezistenta unor forme de malarie icircn dificultatea tratarii SIDA Aceste proteine ABC capabile de transportul medicamentelor şi apariţia rezistentei la tratamentele medicamentoase se numesc proteine MDR (ldquoMulti-drug resistancerdquo)

Un alt rol atribuit transportorilor de tip ABC este de facilitare a miscarii flip-flop (difuzie transversala) a lipidelor membranare şi de aceea aceste grup de proteine ABC se mai numesc flipaze dependente de ATP icircn general aceste translocaze de lipide transporta lipide din stratul intern pe fata externă a bistratului membranei cuplat cu transportul altor compuşi (acizi biliari medicamente)

Structura tipica a unei proteine de tip ABC constă din cel puţin 2 domenii transmembranare (TMD ldquoTransmembrane domainsrdquo) şi minimum 2 domenii de legare a ATP (ABC) Regiunile TMD ancoreaza proteina icircn membrana formand un por prin care trec o varietate remarcabila de substanţe Domeniul de legare al ATP este orientat spre fata citoplasmica şi la

12

nivelul ei se elibereaza energia ATP Nu se cunoaste modalitatea prin care energia este convertita de situsul ABC pentru a fi utilizată icircn transport şi nici mecanismul exact al transportului

Structura transportorilor de tip ABC icircn sectiune transversala (A) şi dispunerea peptidelor icircn spatiu (B)

Transportul activ secundar

Transportorii activi secundari cupleaza miscarea unei substanţe impotriva gradientului de concentraţie la schimb cu transportul altui ion icircn sensul gradientului sau de concentraţie Transportul activ secundar este intotdeauna un proces de co-transport fie de tip simport (ex

simportorii de Na+glucoza şi Na+aminoacizi) sau antiport (ex antiportorul Na+H+) Activitatea acestor transportori nu este asadar direct energizata de ATP ci indirect prin functionarea unor pompe primare de ATP care genereaza gradienti electrochimici Acesti gradienti constituie apoi motorul pentru transportorii secundari Cinetica transportului activ secundar este similara cu cea a difuziei facilitate La concentraţii foarte mari de substrat transportul este franat de lipsa unui număr suficient de proteine capabile să lege substratul existent Două exemple importante merita să fie amintite aici Simportorul Na+glucoza Transportorii secundari ai hexozelor sunt proteine transmembranare localizate icircn principal icircn celulele intestinale şi renale O semnificatie deosebita o au transportorii hexozelor (glucoza galactoza) de la polul apical

al celulelor din invelisul inestinal intern Simportorul Na+glucoza (prescurtat SGLUT) faciliteaza preluarea specifica a unei molecule de glucoza (si galactozei) din lumenul (cavitatea) intestinal(a) unde monozaharidele apar ca urmare a procesarii digestive a hranei

13

Glucoza este transportata din exteriorul celulei spre interior unde concentraţia acesteia este mult mai mare (impotriva gradientului de concentraţie) la schimb cu 2 ioni de sodiu Acest transport este posibil numai cu consum de energie iar forta motrice a functionarii simportului

este gradientul chimic de Na+ stabilit icircn urma functionarii pompelor primare dependente de ATP Glucoza este ulterior ldquodescarcatardquo icircn sange de unde ajunge la toate celulele organismului asigurand nutritia lor

Antiportorul Na+H+O parte din echilibrul ionic al celulelor este mentinut şi cu ajutorul unei clase de proteine

care transporta ionii de sodiu la schimb cu protoni Acestia sunt antiportorii Na+H+ (sau prescurtat Nha) care sunt prezenti icircn membrana plasmatică a celulelor bacteriene la celulele vegetale şi animale Forta motrice pentru functionarea acestor antiportori il reprezintă gradientul de pH generat icircn urma activităţii lantului respirator sau icircn urma functionarii unor

pompe primare de H+ Astfel 2 protoni sunt introdusi icircn citosol (in sensul gradientului de concentraţie) la schimb cu 3 ioni de sodiu care sunt expulzati impotriva gradientului de concentraţie Acest antiport are o semnificatie deosebita icircn cursul adaptarii la condiţii saline cacircnd concentraţia de saruri (NaCl sau NaHCO3Na2CO3) din mediul extern este foarte

mare Celula bacteriana şi vegetala au tendinta de a mentine concentraţia internă de ioni de sodiu icircn limite normale tocmai prin activitatea intensa a acestor antiportori

In celulele animale antiportorii de Na+H+ sunt distribuiti predominant la nivelul polului apical al celulelor renale implicate icircn formarea urinei Aceste celule au capacitatea de

a ldquorecuperardquo Na+ din urina (la nivelul membranei apicale) printr-un mecanism activ

secundar de simport Na+H+ Preluarea sodiului este posibila datorita ldquoaciditatiirdquo mediului intern celular care constituie motorul de deplasare a ionilor de sodiu spre interior (impotriva gradientului de concentraţie) Ionii de sodiu sunt mai departe transportati spre sange pentru a

se asigura tonicitatea acestuia prin polul bazal printr-un antiportor secundar Na+HCO3-

Mecanismele de transport ale Na+ K+ H+ apei glucozei sunt icircnsă mult mai subtile la acest nivel celulele renale avand capacitatea de a orienta migrarea acestor compuşi pentru asigurarea unui echilibru chimic electric şi de pH intre sange şi urina Orice dezechilibru genetic şi metabolic la acest nivel declanseaza boli ale rinichiului numite nefropatii şi boli ale sistemului cardiovascular (ex hipertensiune)

14

  • Permeabilitate şi transport
    • 31 Structura membranei celulare
      • 311 Lipidele membranare
      • 312 Proteinele membranare
      • 314 Fluiditatea membranei
        • 32 Rolul membranei celulare ndash procese de transport
          • 321 Permeabilitatea selectivă a membranei pentru neelectroliti şi ioni
          • 322 Transportul mediat de structuri speciale
          • 323 Transportul activ
          • 3231 Transportul activ primar
          • Transportul activ secundar
Page 10: Permeabilitate şi transport

care sunt translocati dinspre o concentraţie redusa din fluidul extracelular spre o

concentraţie de K+ ridicata din compartimentul intracelular (citosolic) Aceasta pompa este una dintre sursele majore de mentinere a potentialului electrochimic transmembranar

2 Razele luminoase Proteinele a caror funcţie transportoare este energizata sub acţiunea luminii se numesc ldquopompe (ionice) activate de luminardquo Pompele activate de lumina se intalnesc icircn membranele unor bacterii (de exemplu proteinele numite halorodopsina şi bacteriorodopsina)

Pompele ATPazice Transportorii primari de tipul ATPazelor indeplinesc roluri vitale pentru celula şi sunt raspanditi icircn toate organismele vii (procariote şi eucariote celule vegetale şi animale deopotriva) Pompele activate de ATP pot fi impartite icircn patru clase icircn funcţie de caracteristicile lor structural-functionale P-ATPaze V-ATPaze F-ATPaze şi proteine de tip ABC A P-ATPazele sunt o clasa de transportori inruditi genetic şi structural Ele includ

antiportorul Na+-K+-ATPaza (al carui rol a fost explicat mai sus) antiportorul K+-H+-ATPaza (implicat icircn generarea aciditatii din stomac prin transportul de protoni spre

exteriorul celulei icircn cavitatea stomacala la schimb cu ionii de K+ care patrund icircn celula)

şi Ca2+-ATPaza (prezenta icircn membrana celulară şi membrana reticului endoplasmic

transporta ionii de Ca2+ din citosol spre exteriorul celulei sau spre interiorul RE

mentinand concentraţia Ca2+ din citosol la un nivel redus astfel ca acesti ioni pot actiona ca semnale celulare)

P-ATPazele sunt astfel denumite (ldquoPrdquo) deoarece translocarea ionilor de o parte pe alta a membranei implica o modificare temporara covalenta a proteinei cu transferul fosfatului de pe ATP la gruparea carboxilica a acidului glutamatic (Glu) sau aspartic (Asp) din situsul activ Se formeaza o legătură cu energie inalta Icircntr-o etapă ulterioara fosfatul anorganic (Pi) este eliberat la fel şi ionul proteina revenind la starea initiala Pentru ca aceste proteine adopta două stari conformaţionale diferite (denumite E1 şi E2) ele au mai fost numite şi E1E2ATPaze

Mai jos va fi detaliaţa structura şi functionarea antiportorului Na+-K+-ATPaza Na+-K+-ATPaza Este un complex proteic membranar larg raspandit icircn celulele eucariote Se estimeaza ca circa 25 din totalul ATP citosolic din celulele umane icircn repaus este consumat de pompele de sodiu icircn vreme ce icircn celulele nervoase acest procent atinge 70 din ATP total

Na+-K+-ATPaza este un tetramer compus din patru subunităţi două subunităţi alfa (~113 kD) care sunt responsabile pentru transportul propriu-zis al ionilor şi de legarea ATP continand situsul de fosforilare şi două subunităţi mai mici beta (~35 kDa) Subunităţile beta sunt glicoproteine necesare activităţii complexului facilitand localizarea membranara şi activarea subunităţilor alfa

10

Transportul cationilor decurge prin intermediul unui ciclu de modificări conformaţionale datorate fosforilarii de la nivelul situsului activ din subunitatea alfa

bull Pompa cu ATP legat (starea conformaţionala E1) capteaza 3 ioni de Na+ de pe fata citosolică

bull ATP este hidrolizat fosfatul este transferat unei grupări carboxil din situsul de fosforilare aflat pe fata citosolică a pompei cu eliberare de ADP

bull Pricircntr-o modificare conformaţionala (starea E2) a carui mecanism este inca incert

pompa expune ionii de Na+ pe fata extracelulară unde ei sunt eliberati

bull Pompa leagă 2 ioni de K+ din mediul extracelular iar subunitatea alfa este defosforilata

bull ATP se leagă din nou iar pompa se reorienteaza eliberand ionii de K+ icircn citosol

bull Cu ATP legat de subunitatea alfa pompa (E1~ATP) este pregatita să lege ionii de Na+

iar ciclul se repeta

B V-ATPazele au fost initial identificate la eucariote şi mai exact icircn membrana vacuolelor (ldquoVrdquo) din celulele vegetale Ulterior V-ATPazele au fost descrise şi la bacterii Ele funcţionează ca pompe primare ce transporta protoni (in majoritatea cazurilor) sau ioni de

Na+ Ele contribuie la realizarea gradientilor transmembranari de protoni

C F-ATPazele se deosebesc de celelalte pompe ATPazice prin faptul ca sunt capabile nu numai de hidroliza ATP ci şi de sinteza ATP reprezentand enzime care contribuie la procesul de fosforilare (ldquoFrdquo) oxidativă (sinteza ATP cuplata cu respiratia) F-ATPazele sunt prezente la eucariote exclusiv icircn membrana mitocondriala şi cloroplastidiala interna icircn membranele bacteriilor şi arhebacteriilor (unde poarta numele de A-ATPaze) Desi funcţia principala este de a genera ATP pe seama gradientului electrochimic transmembranar susţinut icircn urma respiraţiei la unele bacteriui funcţia să este predominat hidrolazica generand potential electrochimic pe baza consumului de ATP Icircn laborator (in vitro) F-ATPazele pot functiona icircn ambele directii depinzand de condiţiile experimentale

11

D Proteinele transportoare de tip ABC (ATP-binding Cassetterdquo) au fost relativ recent descoperite şi reprezintă o clasa de proteine localizate atat icircn membrana plasmatică cat şi icircn membranele organitelor celulare Ele mediaza translocarea unor substrate variate ioni molecule organice (lipide acizi biliari conjugati glutationici şi glucuronici peptide mici) compuşi de sinteza (medicamente droguri) Majoritatea proteinelor ABC utilizează energia furnizata de hidroliza ATP (transport activ) icircnsă unele pot forma canale membranare specifice (de exemplu proteina CFTR reglatorul de conductanta transmembranara al fibrozei cistice care este un canal de clor) Aceste proteine sunt prezente la toate organismele vii de la bacterii la om (din cele peste 1000 de proteine ABC identificate 48 sunt tipic umane) Mutatii ale genelor ce codifică aceste proteine ABC au fost asociate cu numeroase maladii genetice (ex fibroza cistica) Avand posibilitatea de a lega şi transporta medicamente din şi inspre interiorul celulei proteinele ABC sunt raspunzatoare pentru esecul majoritatii tratamentelor medicale asupra bolnavilor de cancer care manifesta rezistenta la o serie de substanţe citotoxice (utilizate icircn chimioterapie) icircn rezistenta unor forme de malarie icircn dificultatea tratarii SIDA Aceste proteine ABC capabile de transportul medicamentelor şi apariţia rezistentei la tratamentele medicamentoase se numesc proteine MDR (ldquoMulti-drug resistancerdquo)

Un alt rol atribuit transportorilor de tip ABC este de facilitare a miscarii flip-flop (difuzie transversala) a lipidelor membranare şi de aceea aceste grup de proteine ABC se mai numesc flipaze dependente de ATP icircn general aceste translocaze de lipide transporta lipide din stratul intern pe fata externă a bistratului membranei cuplat cu transportul altor compuşi (acizi biliari medicamente)

Structura tipica a unei proteine de tip ABC constă din cel puţin 2 domenii transmembranare (TMD ldquoTransmembrane domainsrdquo) şi minimum 2 domenii de legare a ATP (ABC) Regiunile TMD ancoreaza proteina icircn membrana formand un por prin care trec o varietate remarcabila de substanţe Domeniul de legare al ATP este orientat spre fata citoplasmica şi la

12

nivelul ei se elibereaza energia ATP Nu se cunoaste modalitatea prin care energia este convertita de situsul ABC pentru a fi utilizată icircn transport şi nici mecanismul exact al transportului

Structura transportorilor de tip ABC icircn sectiune transversala (A) şi dispunerea peptidelor icircn spatiu (B)

Transportul activ secundar

Transportorii activi secundari cupleaza miscarea unei substanţe impotriva gradientului de concentraţie la schimb cu transportul altui ion icircn sensul gradientului sau de concentraţie Transportul activ secundar este intotdeauna un proces de co-transport fie de tip simport (ex

simportorii de Na+glucoza şi Na+aminoacizi) sau antiport (ex antiportorul Na+H+) Activitatea acestor transportori nu este asadar direct energizata de ATP ci indirect prin functionarea unor pompe primare de ATP care genereaza gradienti electrochimici Acesti gradienti constituie apoi motorul pentru transportorii secundari Cinetica transportului activ secundar este similara cu cea a difuziei facilitate La concentraţii foarte mari de substrat transportul este franat de lipsa unui număr suficient de proteine capabile să lege substratul existent Două exemple importante merita să fie amintite aici Simportorul Na+glucoza Transportorii secundari ai hexozelor sunt proteine transmembranare localizate icircn principal icircn celulele intestinale şi renale O semnificatie deosebita o au transportorii hexozelor (glucoza galactoza) de la polul apical

al celulelor din invelisul inestinal intern Simportorul Na+glucoza (prescurtat SGLUT) faciliteaza preluarea specifica a unei molecule de glucoza (si galactozei) din lumenul (cavitatea) intestinal(a) unde monozaharidele apar ca urmare a procesarii digestive a hranei

13

Glucoza este transportata din exteriorul celulei spre interior unde concentraţia acesteia este mult mai mare (impotriva gradientului de concentraţie) la schimb cu 2 ioni de sodiu Acest transport este posibil numai cu consum de energie iar forta motrice a functionarii simportului

este gradientul chimic de Na+ stabilit icircn urma functionarii pompelor primare dependente de ATP Glucoza este ulterior ldquodescarcatardquo icircn sange de unde ajunge la toate celulele organismului asigurand nutritia lor

Antiportorul Na+H+O parte din echilibrul ionic al celulelor este mentinut şi cu ajutorul unei clase de proteine

care transporta ionii de sodiu la schimb cu protoni Acestia sunt antiportorii Na+H+ (sau prescurtat Nha) care sunt prezenti icircn membrana plasmatică a celulelor bacteriene la celulele vegetale şi animale Forta motrice pentru functionarea acestor antiportori il reprezintă gradientul de pH generat icircn urma activităţii lantului respirator sau icircn urma functionarii unor

pompe primare de H+ Astfel 2 protoni sunt introdusi icircn citosol (in sensul gradientului de concentraţie) la schimb cu 3 ioni de sodiu care sunt expulzati impotriva gradientului de concentraţie Acest antiport are o semnificatie deosebita icircn cursul adaptarii la condiţii saline cacircnd concentraţia de saruri (NaCl sau NaHCO3Na2CO3) din mediul extern este foarte

mare Celula bacteriana şi vegetala au tendinta de a mentine concentraţia internă de ioni de sodiu icircn limite normale tocmai prin activitatea intensa a acestor antiportori

In celulele animale antiportorii de Na+H+ sunt distribuiti predominant la nivelul polului apical al celulelor renale implicate icircn formarea urinei Aceste celule au capacitatea de

a ldquorecuperardquo Na+ din urina (la nivelul membranei apicale) printr-un mecanism activ

secundar de simport Na+H+ Preluarea sodiului este posibila datorita ldquoaciditatiirdquo mediului intern celular care constituie motorul de deplasare a ionilor de sodiu spre interior (impotriva gradientului de concentraţie) Ionii de sodiu sunt mai departe transportati spre sange pentru a

se asigura tonicitatea acestuia prin polul bazal printr-un antiportor secundar Na+HCO3-

Mecanismele de transport ale Na+ K+ H+ apei glucozei sunt icircnsă mult mai subtile la acest nivel celulele renale avand capacitatea de a orienta migrarea acestor compuşi pentru asigurarea unui echilibru chimic electric şi de pH intre sange şi urina Orice dezechilibru genetic şi metabolic la acest nivel declanseaza boli ale rinichiului numite nefropatii şi boli ale sistemului cardiovascular (ex hipertensiune)

14

  • Permeabilitate şi transport
    • 31 Structura membranei celulare
      • 311 Lipidele membranare
      • 312 Proteinele membranare
      • 314 Fluiditatea membranei
        • 32 Rolul membranei celulare ndash procese de transport
          • 321 Permeabilitatea selectivă a membranei pentru neelectroliti şi ioni
          • 322 Transportul mediat de structuri speciale
          • 323 Transportul activ
          • 3231 Transportul activ primar
          • Transportul activ secundar
Page 11: Permeabilitate şi transport

Transportul cationilor decurge prin intermediul unui ciclu de modificări conformaţionale datorate fosforilarii de la nivelul situsului activ din subunitatea alfa

bull Pompa cu ATP legat (starea conformaţionala E1) capteaza 3 ioni de Na+ de pe fata citosolică

bull ATP este hidrolizat fosfatul este transferat unei grupări carboxil din situsul de fosforilare aflat pe fata citosolică a pompei cu eliberare de ADP

bull Pricircntr-o modificare conformaţionala (starea E2) a carui mecanism este inca incert

pompa expune ionii de Na+ pe fata extracelulară unde ei sunt eliberati

bull Pompa leagă 2 ioni de K+ din mediul extracelular iar subunitatea alfa este defosforilata

bull ATP se leagă din nou iar pompa se reorienteaza eliberand ionii de K+ icircn citosol

bull Cu ATP legat de subunitatea alfa pompa (E1~ATP) este pregatita să lege ionii de Na+

iar ciclul se repeta

B V-ATPazele au fost initial identificate la eucariote şi mai exact icircn membrana vacuolelor (ldquoVrdquo) din celulele vegetale Ulterior V-ATPazele au fost descrise şi la bacterii Ele funcţionează ca pompe primare ce transporta protoni (in majoritatea cazurilor) sau ioni de

Na+ Ele contribuie la realizarea gradientilor transmembranari de protoni

C F-ATPazele se deosebesc de celelalte pompe ATPazice prin faptul ca sunt capabile nu numai de hidroliza ATP ci şi de sinteza ATP reprezentand enzime care contribuie la procesul de fosforilare (ldquoFrdquo) oxidativă (sinteza ATP cuplata cu respiratia) F-ATPazele sunt prezente la eucariote exclusiv icircn membrana mitocondriala şi cloroplastidiala interna icircn membranele bacteriilor şi arhebacteriilor (unde poarta numele de A-ATPaze) Desi funcţia principala este de a genera ATP pe seama gradientului electrochimic transmembranar susţinut icircn urma respiraţiei la unele bacteriui funcţia să este predominat hidrolazica generand potential electrochimic pe baza consumului de ATP Icircn laborator (in vitro) F-ATPazele pot functiona icircn ambele directii depinzand de condiţiile experimentale

11

D Proteinele transportoare de tip ABC (ATP-binding Cassetterdquo) au fost relativ recent descoperite şi reprezintă o clasa de proteine localizate atat icircn membrana plasmatică cat şi icircn membranele organitelor celulare Ele mediaza translocarea unor substrate variate ioni molecule organice (lipide acizi biliari conjugati glutationici şi glucuronici peptide mici) compuşi de sinteza (medicamente droguri) Majoritatea proteinelor ABC utilizează energia furnizata de hidroliza ATP (transport activ) icircnsă unele pot forma canale membranare specifice (de exemplu proteina CFTR reglatorul de conductanta transmembranara al fibrozei cistice care este un canal de clor) Aceste proteine sunt prezente la toate organismele vii de la bacterii la om (din cele peste 1000 de proteine ABC identificate 48 sunt tipic umane) Mutatii ale genelor ce codifică aceste proteine ABC au fost asociate cu numeroase maladii genetice (ex fibroza cistica) Avand posibilitatea de a lega şi transporta medicamente din şi inspre interiorul celulei proteinele ABC sunt raspunzatoare pentru esecul majoritatii tratamentelor medicale asupra bolnavilor de cancer care manifesta rezistenta la o serie de substanţe citotoxice (utilizate icircn chimioterapie) icircn rezistenta unor forme de malarie icircn dificultatea tratarii SIDA Aceste proteine ABC capabile de transportul medicamentelor şi apariţia rezistentei la tratamentele medicamentoase se numesc proteine MDR (ldquoMulti-drug resistancerdquo)

Un alt rol atribuit transportorilor de tip ABC este de facilitare a miscarii flip-flop (difuzie transversala) a lipidelor membranare şi de aceea aceste grup de proteine ABC se mai numesc flipaze dependente de ATP icircn general aceste translocaze de lipide transporta lipide din stratul intern pe fata externă a bistratului membranei cuplat cu transportul altor compuşi (acizi biliari medicamente)

Structura tipica a unei proteine de tip ABC constă din cel puţin 2 domenii transmembranare (TMD ldquoTransmembrane domainsrdquo) şi minimum 2 domenii de legare a ATP (ABC) Regiunile TMD ancoreaza proteina icircn membrana formand un por prin care trec o varietate remarcabila de substanţe Domeniul de legare al ATP este orientat spre fata citoplasmica şi la

12

nivelul ei se elibereaza energia ATP Nu se cunoaste modalitatea prin care energia este convertita de situsul ABC pentru a fi utilizată icircn transport şi nici mecanismul exact al transportului

Structura transportorilor de tip ABC icircn sectiune transversala (A) şi dispunerea peptidelor icircn spatiu (B)

Transportul activ secundar

Transportorii activi secundari cupleaza miscarea unei substanţe impotriva gradientului de concentraţie la schimb cu transportul altui ion icircn sensul gradientului sau de concentraţie Transportul activ secundar este intotdeauna un proces de co-transport fie de tip simport (ex

simportorii de Na+glucoza şi Na+aminoacizi) sau antiport (ex antiportorul Na+H+) Activitatea acestor transportori nu este asadar direct energizata de ATP ci indirect prin functionarea unor pompe primare de ATP care genereaza gradienti electrochimici Acesti gradienti constituie apoi motorul pentru transportorii secundari Cinetica transportului activ secundar este similara cu cea a difuziei facilitate La concentraţii foarte mari de substrat transportul este franat de lipsa unui număr suficient de proteine capabile să lege substratul existent Două exemple importante merita să fie amintite aici Simportorul Na+glucoza Transportorii secundari ai hexozelor sunt proteine transmembranare localizate icircn principal icircn celulele intestinale şi renale O semnificatie deosebita o au transportorii hexozelor (glucoza galactoza) de la polul apical

al celulelor din invelisul inestinal intern Simportorul Na+glucoza (prescurtat SGLUT) faciliteaza preluarea specifica a unei molecule de glucoza (si galactozei) din lumenul (cavitatea) intestinal(a) unde monozaharidele apar ca urmare a procesarii digestive a hranei

13

Glucoza este transportata din exteriorul celulei spre interior unde concentraţia acesteia este mult mai mare (impotriva gradientului de concentraţie) la schimb cu 2 ioni de sodiu Acest transport este posibil numai cu consum de energie iar forta motrice a functionarii simportului

este gradientul chimic de Na+ stabilit icircn urma functionarii pompelor primare dependente de ATP Glucoza este ulterior ldquodescarcatardquo icircn sange de unde ajunge la toate celulele organismului asigurand nutritia lor

Antiportorul Na+H+O parte din echilibrul ionic al celulelor este mentinut şi cu ajutorul unei clase de proteine

care transporta ionii de sodiu la schimb cu protoni Acestia sunt antiportorii Na+H+ (sau prescurtat Nha) care sunt prezenti icircn membrana plasmatică a celulelor bacteriene la celulele vegetale şi animale Forta motrice pentru functionarea acestor antiportori il reprezintă gradientul de pH generat icircn urma activităţii lantului respirator sau icircn urma functionarii unor

pompe primare de H+ Astfel 2 protoni sunt introdusi icircn citosol (in sensul gradientului de concentraţie) la schimb cu 3 ioni de sodiu care sunt expulzati impotriva gradientului de concentraţie Acest antiport are o semnificatie deosebita icircn cursul adaptarii la condiţii saline cacircnd concentraţia de saruri (NaCl sau NaHCO3Na2CO3) din mediul extern este foarte

mare Celula bacteriana şi vegetala au tendinta de a mentine concentraţia internă de ioni de sodiu icircn limite normale tocmai prin activitatea intensa a acestor antiportori

In celulele animale antiportorii de Na+H+ sunt distribuiti predominant la nivelul polului apical al celulelor renale implicate icircn formarea urinei Aceste celule au capacitatea de

a ldquorecuperardquo Na+ din urina (la nivelul membranei apicale) printr-un mecanism activ

secundar de simport Na+H+ Preluarea sodiului este posibila datorita ldquoaciditatiirdquo mediului intern celular care constituie motorul de deplasare a ionilor de sodiu spre interior (impotriva gradientului de concentraţie) Ionii de sodiu sunt mai departe transportati spre sange pentru a

se asigura tonicitatea acestuia prin polul bazal printr-un antiportor secundar Na+HCO3-

Mecanismele de transport ale Na+ K+ H+ apei glucozei sunt icircnsă mult mai subtile la acest nivel celulele renale avand capacitatea de a orienta migrarea acestor compuşi pentru asigurarea unui echilibru chimic electric şi de pH intre sange şi urina Orice dezechilibru genetic şi metabolic la acest nivel declanseaza boli ale rinichiului numite nefropatii şi boli ale sistemului cardiovascular (ex hipertensiune)

14

  • Permeabilitate şi transport
    • 31 Structura membranei celulare
      • 311 Lipidele membranare
      • 312 Proteinele membranare
      • 314 Fluiditatea membranei
        • 32 Rolul membranei celulare ndash procese de transport
          • 321 Permeabilitatea selectivă a membranei pentru neelectroliti şi ioni
          • 322 Transportul mediat de structuri speciale
          • 323 Transportul activ
          • 3231 Transportul activ primar
          • Transportul activ secundar
Page 12: Permeabilitate şi transport

D Proteinele transportoare de tip ABC (ATP-binding Cassetterdquo) au fost relativ recent descoperite şi reprezintă o clasa de proteine localizate atat icircn membrana plasmatică cat şi icircn membranele organitelor celulare Ele mediaza translocarea unor substrate variate ioni molecule organice (lipide acizi biliari conjugati glutationici şi glucuronici peptide mici) compuşi de sinteza (medicamente droguri) Majoritatea proteinelor ABC utilizează energia furnizata de hidroliza ATP (transport activ) icircnsă unele pot forma canale membranare specifice (de exemplu proteina CFTR reglatorul de conductanta transmembranara al fibrozei cistice care este un canal de clor) Aceste proteine sunt prezente la toate organismele vii de la bacterii la om (din cele peste 1000 de proteine ABC identificate 48 sunt tipic umane) Mutatii ale genelor ce codifică aceste proteine ABC au fost asociate cu numeroase maladii genetice (ex fibroza cistica) Avand posibilitatea de a lega şi transporta medicamente din şi inspre interiorul celulei proteinele ABC sunt raspunzatoare pentru esecul majoritatii tratamentelor medicale asupra bolnavilor de cancer care manifesta rezistenta la o serie de substanţe citotoxice (utilizate icircn chimioterapie) icircn rezistenta unor forme de malarie icircn dificultatea tratarii SIDA Aceste proteine ABC capabile de transportul medicamentelor şi apariţia rezistentei la tratamentele medicamentoase se numesc proteine MDR (ldquoMulti-drug resistancerdquo)

Un alt rol atribuit transportorilor de tip ABC este de facilitare a miscarii flip-flop (difuzie transversala) a lipidelor membranare şi de aceea aceste grup de proteine ABC se mai numesc flipaze dependente de ATP icircn general aceste translocaze de lipide transporta lipide din stratul intern pe fata externă a bistratului membranei cuplat cu transportul altor compuşi (acizi biliari medicamente)

Structura tipica a unei proteine de tip ABC constă din cel puţin 2 domenii transmembranare (TMD ldquoTransmembrane domainsrdquo) şi minimum 2 domenii de legare a ATP (ABC) Regiunile TMD ancoreaza proteina icircn membrana formand un por prin care trec o varietate remarcabila de substanţe Domeniul de legare al ATP este orientat spre fata citoplasmica şi la

12

nivelul ei se elibereaza energia ATP Nu se cunoaste modalitatea prin care energia este convertita de situsul ABC pentru a fi utilizată icircn transport şi nici mecanismul exact al transportului

Structura transportorilor de tip ABC icircn sectiune transversala (A) şi dispunerea peptidelor icircn spatiu (B)

Transportul activ secundar

Transportorii activi secundari cupleaza miscarea unei substanţe impotriva gradientului de concentraţie la schimb cu transportul altui ion icircn sensul gradientului sau de concentraţie Transportul activ secundar este intotdeauna un proces de co-transport fie de tip simport (ex

simportorii de Na+glucoza şi Na+aminoacizi) sau antiport (ex antiportorul Na+H+) Activitatea acestor transportori nu este asadar direct energizata de ATP ci indirect prin functionarea unor pompe primare de ATP care genereaza gradienti electrochimici Acesti gradienti constituie apoi motorul pentru transportorii secundari Cinetica transportului activ secundar este similara cu cea a difuziei facilitate La concentraţii foarte mari de substrat transportul este franat de lipsa unui număr suficient de proteine capabile să lege substratul existent Două exemple importante merita să fie amintite aici Simportorul Na+glucoza Transportorii secundari ai hexozelor sunt proteine transmembranare localizate icircn principal icircn celulele intestinale şi renale O semnificatie deosebita o au transportorii hexozelor (glucoza galactoza) de la polul apical

al celulelor din invelisul inestinal intern Simportorul Na+glucoza (prescurtat SGLUT) faciliteaza preluarea specifica a unei molecule de glucoza (si galactozei) din lumenul (cavitatea) intestinal(a) unde monozaharidele apar ca urmare a procesarii digestive a hranei

13

Glucoza este transportata din exteriorul celulei spre interior unde concentraţia acesteia este mult mai mare (impotriva gradientului de concentraţie) la schimb cu 2 ioni de sodiu Acest transport este posibil numai cu consum de energie iar forta motrice a functionarii simportului

este gradientul chimic de Na+ stabilit icircn urma functionarii pompelor primare dependente de ATP Glucoza este ulterior ldquodescarcatardquo icircn sange de unde ajunge la toate celulele organismului asigurand nutritia lor

Antiportorul Na+H+O parte din echilibrul ionic al celulelor este mentinut şi cu ajutorul unei clase de proteine

care transporta ionii de sodiu la schimb cu protoni Acestia sunt antiportorii Na+H+ (sau prescurtat Nha) care sunt prezenti icircn membrana plasmatică a celulelor bacteriene la celulele vegetale şi animale Forta motrice pentru functionarea acestor antiportori il reprezintă gradientul de pH generat icircn urma activităţii lantului respirator sau icircn urma functionarii unor

pompe primare de H+ Astfel 2 protoni sunt introdusi icircn citosol (in sensul gradientului de concentraţie) la schimb cu 3 ioni de sodiu care sunt expulzati impotriva gradientului de concentraţie Acest antiport are o semnificatie deosebita icircn cursul adaptarii la condiţii saline cacircnd concentraţia de saruri (NaCl sau NaHCO3Na2CO3) din mediul extern este foarte

mare Celula bacteriana şi vegetala au tendinta de a mentine concentraţia internă de ioni de sodiu icircn limite normale tocmai prin activitatea intensa a acestor antiportori

In celulele animale antiportorii de Na+H+ sunt distribuiti predominant la nivelul polului apical al celulelor renale implicate icircn formarea urinei Aceste celule au capacitatea de

a ldquorecuperardquo Na+ din urina (la nivelul membranei apicale) printr-un mecanism activ

secundar de simport Na+H+ Preluarea sodiului este posibila datorita ldquoaciditatiirdquo mediului intern celular care constituie motorul de deplasare a ionilor de sodiu spre interior (impotriva gradientului de concentraţie) Ionii de sodiu sunt mai departe transportati spre sange pentru a

se asigura tonicitatea acestuia prin polul bazal printr-un antiportor secundar Na+HCO3-

Mecanismele de transport ale Na+ K+ H+ apei glucozei sunt icircnsă mult mai subtile la acest nivel celulele renale avand capacitatea de a orienta migrarea acestor compuşi pentru asigurarea unui echilibru chimic electric şi de pH intre sange şi urina Orice dezechilibru genetic şi metabolic la acest nivel declanseaza boli ale rinichiului numite nefropatii şi boli ale sistemului cardiovascular (ex hipertensiune)

14

  • Permeabilitate şi transport
    • 31 Structura membranei celulare
      • 311 Lipidele membranare
      • 312 Proteinele membranare
      • 314 Fluiditatea membranei
        • 32 Rolul membranei celulare ndash procese de transport
          • 321 Permeabilitatea selectivă a membranei pentru neelectroliti şi ioni
          • 322 Transportul mediat de structuri speciale
          • 323 Transportul activ
          • 3231 Transportul activ primar
          • Transportul activ secundar
Page 13: Permeabilitate şi transport

nivelul ei se elibereaza energia ATP Nu se cunoaste modalitatea prin care energia este convertita de situsul ABC pentru a fi utilizată icircn transport şi nici mecanismul exact al transportului

Structura transportorilor de tip ABC icircn sectiune transversala (A) şi dispunerea peptidelor icircn spatiu (B)

Transportul activ secundar

Transportorii activi secundari cupleaza miscarea unei substanţe impotriva gradientului de concentraţie la schimb cu transportul altui ion icircn sensul gradientului sau de concentraţie Transportul activ secundar este intotdeauna un proces de co-transport fie de tip simport (ex

simportorii de Na+glucoza şi Na+aminoacizi) sau antiport (ex antiportorul Na+H+) Activitatea acestor transportori nu este asadar direct energizata de ATP ci indirect prin functionarea unor pompe primare de ATP care genereaza gradienti electrochimici Acesti gradienti constituie apoi motorul pentru transportorii secundari Cinetica transportului activ secundar este similara cu cea a difuziei facilitate La concentraţii foarte mari de substrat transportul este franat de lipsa unui număr suficient de proteine capabile să lege substratul existent Două exemple importante merita să fie amintite aici Simportorul Na+glucoza Transportorii secundari ai hexozelor sunt proteine transmembranare localizate icircn principal icircn celulele intestinale şi renale O semnificatie deosebita o au transportorii hexozelor (glucoza galactoza) de la polul apical

al celulelor din invelisul inestinal intern Simportorul Na+glucoza (prescurtat SGLUT) faciliteaza preluarea specifica a unei molecule de glucoza (si galactozei) din lumenul (cavitatea) intestinal(a) unde monozaharidele apar ca urmare a procesarii digestive a hranei

13

Glucoza este transportata din exteriorul celulei spre interior unde concentraţia acesteia este mult mai mare (impotriva gradientului de concentraţie) la schimb cu 2 ioni de sodiu Acest transport este posibil numai cu consum de energie iar forta motrice a functionarii simportului

este gradientul chimic de Na+ stabilit icircn urma functionarii pompelor primare dependente de ATP Glucoza este ulterior ldquodescarcatardquo icircn sange de unde ajunge la toate celulele organismului asigurand nutritia lor

Antiportorul Na+H+O parte din echilibrul ionic al celulelor este mentinut şi cu ajutorul unei clase de proteine

care transporta ionii de sodiu la schimb cu protoni Acestia sunt antiportorii Na+H+ (sau prescurtat Nha) care sunt prezenti icircn membrana plasmatică a celulelor bacteriene la celulele vegetale şi animale Forta motrice pentru functionarea acestor antiportori il reprezintă gradientul de pH generat icircn urma activităţii lantului respirator sau icircn urma functionarii unor

pompe primare de H+ Astfel 2 protoni sunt introdusi icircn citosol (in sensul gradientului de concentraţie) la schimb cu 3 ioni de sodiu care sunt expulzati impotriva gradientului de concentraţie Acest antiport are o semnificatie deosebita icircn cursul adaptarii la condiţii saline cacircnd concentraţia de saruri (NaCl sau NaHCO3Na2CO3) din mediul extern este foarte

mare Celula bacteriana şi vegetala au tendinta de a mentine concentraţia internă de ioni de sodiu icircn limite normale tocmai prin activitatea intensa a acestor antiportori

In celulele animale antiportorii de Na+H+ sunt distribuiti predominant la nivelul polului apical al celulelor renale implicate icircn formarea urinei Aceste celule au capacitatea de

a ldquorecuperardquo Na+ din urina (la nivelul membranei apicale) printr-un mecanism activ

secundar de simport Na+H+ Preluarea sodiului este posibila datorita ldquoaciditatiirdquo mediului intern celular care constituie motorul de deplasare a ionilor de sodiu spre interior (impotriva gradientului de concentraţie) Ionii de sodiu sunt mai departe transportati spre sange pentru a

se asigura tonicitatea acestuia prin polul bazal printr-un antiportor secundar Na+HCO3-

Mecanismele de transport ale Na+ K+ H+ apei glucozei sunt icircnsă mult mai subtile la acest nivel celulele renale avand capacitatea de a orienta migrarea acestor compuşi pentru asigurarea unui echilibru chimic electric şi de pH intre sange şi urina Orice dezechilibru genetic şi metabolic la acest nivel declanseaza boli ale rinichiului numite nefropatii şi boli ale sistemului cardiovascular (ex hipertensiune)

14

  • Permeabilitate şi transport
    • 31 Structura membranei celulare
      • 311 Lipidele membranare
      • 312 Proteinele membranare
      • 314 Fluiditatea membranei
        • 32 Rolul membranei celulare ndash procese de transport
          • 321 Permeabilitatea selectivă a membranei pentru neelectroliti şi ioni
          • 322 Transportul mediat de structuri speciale
          • 323 Transportul activ
          • 3231 Transportul activ primar
          • Transportul activ secundar
Page 14: Permeabilitate şi transport

Glucoza este transportata din exteriorul celulei spre interior unde concentraţia acesteia este mult mai mare (impotriva gradientului de concentraţie) la schimb cu 2 ioni de sodiu Acest transport este posibil numai cu consum de energie iar forta motrice a functionarii simportului

este gradientul chimic de Na+ stabilit icircn urma functionarii pompelor primare dependente de ATP Glucoza este ulterior ldquodescarcatardquo icircn sange de unde ajunge la toate celulele organismului asigurand nutritia lor

Antiportorul Na+H+O parte din echilibrul ionic al celulelor este mentinut şi cu ajutorul unei clase de proteine

care transporta ionii de sodiu la schimb cu protoni Acestia sunt antiportorii Na+H+ (sau prescurtat Nha) care sunt prezenti icircn membrana plasmatică a celulelor bacteriene la celulele vegetale şi animale Forta motrice pentru functionarea acestor antiportori il reprezintă gradientul de pH generat icircn urma activităţii lantului respirator sau icircn urma functionarii unor

pompe primare de H+ Astfel 2 protoni sunt introdusi icircn citosol (in sensul gradientului de concentraţie) la schimb cu 3 ioni de sodiu care sunt expulzati impotriva gradientului de concentraţie Acest antiport are o semnificatie deosebita icircn cursul adaptarii la condiţii saline cacircnd concentraţia de saruri (NaCl sau NaHCO3Na2CO3) din mediul extern este foarte

mare Celula bacteriana şi vegetala au tendinta de a mentine concentraţia internă de ioni de sodiu icircn limite normale tocmai prin activitatea intensa a acestor antiportori

In celulele animale antiportorii de Na+H+ sunt distribuiti predominant la nivelul polului apical al celulelor renale implicate icircn formarea urinei Aceste celule au capacitatea de

a ldquorecuperardquo Na+ din urina (la nivelul membranei apicale) printr-un mecanism activ

secundar de simport Na+H+ Preluarea sodiului este posibila datorita ldquoaciditatiirdquo mediului intern celular care constituie motorul de deplasare a ionilor de sodiu spre interior (impotriva gradientului de concentraţie) Ionii de sodiu sunt mai departe transportati spre sange pentru a

se asigura tonicitatea acestuia prin polul bazal printr-un antiportor secundar Na+HCO3-

Mecanismele de transport ale Na+ K+ H+ apei glucozei sunt icircnsă mult mai subtile la acest nivel celulele renale avand capacitatea de a orienta migrarea acestor compuşi pentru asigurarea unui echilibru chimic electric şi de pH intre sange şi urina Orice dezechilibru genetic şi metabolic la acest nivel declanseaza boli ale rinichiului numite nefropatii şi boli ale sistemului cardiovascular (ex hipertensiune)

14

  • Permeabilitate şi transport
    • 31 Structura membranei celulare
      • 311 Lipidele membranare
      • 312 Proteinele membranare
      • 314 Fluiditatea membranei
        • 32 Rolul membranei celulare ndash procese de transport
          • 321 Permeabilitatea selectivă a membranei pentru neelectroliti şi ioni
          • 322 Transportul mediat de structuri speciale
          • 323 Transportul activ
          • 3231 Transportul activ primar
          • Transportul activ secundar