Structura membranei celulare

Membrana celular (membrana plasmatic, plasmalema) este o structur celular ce delimiteaz i compartimenteaz coninutul celular. Constituie o barier selectiv pentru pasajul moleculelor i ionilor. Este o structur bidimensional continu cu grosimea de 6-9 nm i cu proprieti caracteristice de permeabilitate selectiv, ce confer individualitate celulei.

Istoric Membrana celular a fost pentru prima dat observat de Robert Hooke, ns acesta a considerat-o parte integral a unei celule unitare. Abia n 1855 Karl Wilhelm von Ngeli i Carl Eduard Cramer au emis ipoteza existenei unei membrane celulare responsabile pentru secreia extracelular i meninerea presiunii intracelulare. n 1935, Hugh Daveson i James Frederic Danielli au sugerat structura bilipidic a membranei celulare, iar n 1972, Nicholson i Singer au formulat modelul mozaicului fluid. Acest model a fost modificat datorit descoperirii unor structuri ce compartimentalizeaz membrana celular. Acestea cuprind: zonele de jonciune intercelular; "barierele" membranare formate de complexe multiproteice sau de specializri ale citoscheletului subcortical; subdomenii membranare cu o compoziie proteo-lipidic specific, cum ar fi cele insolubile in detergeni (lipid rafts). Aceasta organizare complex a membranei este important, ntre altele, pentru polaritatea celulei i pentru organizarea semnalelor primite din exterior.

1

Rol Transportul de substane; asigurarea homeostazei; protejarea spaiului celular; conferirea unei forme celulei; echilibru osmotic; (osmoz) permeabilitate selectiv (vezi mai jos); particip n cadrul proceselor metabolice; comunicarea bidirecional ntre celule i mediul extern; locomoia. Structura Membrana celular este format din lipide si proteine. Elementul structural fundamental al membranelor celulare este dublul strat lipidic care se comport ca o barier impenetrabil pentru majoritatea moleculelor aqua-solubile. Proteinele membranare, asociate dublului strat lipidic, asigura funcionalitatea membranei. Lipidele Membrana celular const din 3 tipuri de lipide: fosfolipide, glicolipide i steroli. Fosfolipidele i glicolipidele constau dintr-un cap hidrofil i o coad hidrofob. Colesterolul, cel mai cunoscut dintre steroli, este cel care confer membranei rigiditatea, fiind poziionat ntre capetele hidrofobe ale lipidelor i nepermindu-le s se contracte. Proteinele Proteinele sunt fie nglobate n membrana lipidic (transmembranare), fie asociate suprafeei acesteia (proteine membranare periferice i proteine legate prin lipide). Exist mai multe tipuri de proteine, incluznd: Protein-marker; Receptori; de susinere; de transport. Proteinele sunt implicate n multiple procese: transportul molecular i ionic transmembranar; realizarea conexiunilor intercelulare i a ancorrii celulelor n matricea extracelular; desfurarea reaciilor enzimatice asociate structurilor membranare; controlol fluxului de informaie ntre celul i mediu prin recunoaterea, legarea i transmiterea moleculelor-semnal; imunitatea celular;

2

Modelul mozaicului fluid Modelul mozaicului fluid, propus de Jonathan S. Singer i Garth L. Nicholson, prezint membrana celular ca un model fluid mozaicat, unde numeroasele componentele structurale se pot deplasa liber. La suprafaa membranei celulei animale se afl proteine periferice i glucide sub form de glicolipide i glicoproteine. Setul de proteine i glucide (de pe suprafata plasmalemei fiecrei celule animale) se numete glicocalix i este specific, constituind buletinul de identitate al acesteia. Membrana celulei vegetale este protejat de un perete celular rigid. Acesta este format din celuloz i este permeabil pentru ap, precum i pentru unele molecule organice. Fluiditatea bistratului lipidic Lipidele i proteinele membranare sunt antrenate n diferite tipuri de micri n interiorul membranei. Aceasta se datoreaz mobilitii moleculelor lipidice: capacitatea moleculelor lipidice de a difuza n interiorul bistraturilor. Difuziunea lateral are loc foarte rapid, moleculele lipidice efectund schimb de locuri cu moleculele nvecinate. O molecul lipidic strbate aprox. 2 micrometri n timp de o secund, adic poate s ajung de la un capt la altul al unei celule bacteriene de talia E. coli. Micarea are loc n planul bistratului. Micarea de rotaie se refer la micarea pe care o efectueaz fiecare molecul lipidic n jurul axei longitudinale a moleculei, de asemenea rapid. Difuziunea trasversal este rar; apare, n medie, o dat la o lun pentru fiecare molecul (bistraturi lipidice artificiale). Cu alte cuvinte, moleculele lipidice rmn o lung perioad de timp n acelai monostrat. n membranele celulare exist proteine speciale denumite translocatori fosfolipidici sau flipaze care poteneaz o micare flip-flop rapid din monostratul citosolic n cel lumenal. Asimetria bistratului lipidic Distribuia asimetric a moleculelor membranare joac un rol esenial n realizarea funciilor celulare. Distribuia asimetric a componentelor lipidice pe cele dou fee ale dublului strat lipidic determin o fluiditate diferit a celor dou straturi lipidice. Explicaia asimetriei n distribuia lipidelor membranare const n procesul de biosintez a lipidelor i se bazeaz pe micarea flip-flop a acestor molecule, care este catalizat de fosfatil-translocaza la nivelul reticulului endoplasmatic. n multe celule, distribuia asimetric a lipidelor i a proteinelor conduce la delimitarea unor domenii specfice n membranele plasmatice. Astfel, membrana celulelor epiteliale este mparit n dou domenii distincte: apical i latero-bazal, ambele avnd un coninut proteic i lipidic diferit.

3

Sistemul de transport ionic membranar (STIM)STIM este constituit din structuri proteice transmembranare a cror funcie principal este transportul ionilor prin membranare celulare.Aceast funcie a STIM completeaz funcia membranei celulare de a asigura identitatea celular din punct de vedere a compoziiei chimice citoplasmatice n n raport cu mediul extracelular i , n acelai timp de a permite schimbul informaional cu mediul extracelular. Urmare funciei de transport a STIM se ndeplinesc att condiia de meninere a identitii celulare - nici o specie ionic nu se afl n aceeai concentraie, de o parte i alta a membranei celulare - ct i cea de schimb informaional, via excitabilitate, transport ionic transmembranar controlat. Moleculele proteice ce constituie STIM reprezint o proporie important din totalitatea proteinelor membranare, controlul sintezei lor necesitnd pn la 20 % din genele unei celule, dei majoritatea acestor proteine au o lung existen filogenetic. Un exemplu n acest sens, calmodulina, o protein reglatoare a transportului celular de Ca++, se pare a fi aprut odat cu celulele eucariote, pstrndu-se n regnul vegetal i animal. Diversificarea i creterea numrului de structuri cu funcie de transport ionic constituie aspectul cel mai important al specializrii celulelor nervoase i musculare ca celule excitabile. Mai mult, pentru asigurarea parametrilor funcionali ai excitabilitii neuronale, celulele gliale intervin printr-un STIM mai puin complex, comparativ cu cel neuronal, n meninerea compoziiei electrolitice a lichidului interstiial n limite care s favorizeze transportul ionic n neuronii nvecinai. n raport cu mecanismul de transport ionic structurile proteice ce constituie STIM sunt denumite canale, pompe i transportori. Canalele ionice Din punct de vedere chimic, canalele ionice sunt formate din glicoproteine cu mas molecular cuprins ntre 25 i 250 kDa. Acestea sunt organizate n dou sau mai multe subuniti identice sau diferite ce delimiteaz un canal central al crui lungime este egal cu grosimea membranei celulare. Tehnica de patch-clamp const n fixarea, prin suciune, pe vrful unei micropipete din sticl, cu diametrul de 1, a unei suprafee corespunztoare din membrana unei celule. Prin nregistrarea curenilor de membran cu ajutorul unui microelectrod plasat n interiorul pipetei, se poate selecta o zon din membran coninnd un singur canal ionic. n ultimul deceniu, abordarea din perspectiva genetic a cercetrii canalelor ionice a deschis un nou domeniu al patologiei canalopatii. Patologia legat de alterarea

4

funciilor celulelor nervoase i musculare ca urmare a alterrii controlului genetic al sintezei proteinelor din structura STIM este deosebit de complex i are un impact deosebit innd seama de implicarea transportului ionic n desfurarea diverselor funcii ale sistemului nervos i muscular. Numrul tipurilor de canale ionice cunoscute pn n prezent este peste 100, dar este de ateptat o cretere semnificativ a acestei valori. Mecanismul de funcionare al acestui sistem de transport reprezint unul din criteriile de clasificare a canalelor ionice i va fi prezentat pentru fiecare din tipurile mai bine cunoscute, dar prezentarea ctorva principii generale de funcionare, este util n vederea formrii unei imagini de ansamblu asupra transportului ionic prin canalele membranare. n celula nervoas i muscular canalele ionice permit un flux de cca. 100 000 000 ioni, calculat pentru fiecare secund de excitare/canal. Aceast deplasare rapid a ionilor este pasiv numai aparent pentru c, n realitate, ea este determinat de o for ce rezult din gradientul electrochimic, pentru care s-a consumat energie n timpul ct celula era n stare de repaus. Dac analizm i mai atent acest proces constatm c la meninerea concentraiei ionice a lichidului interstiial dintr-o anumit zon particip toate celulele din zona respectiv iar probabilitatea ca toate aceste celule s fie excitate simultan este foarte mic. Ca urmare, dei fiecare excitare celular necesit un influx mare de ioni de sodiu i este condiionat de un eflux de K+ , iar capacitatea de transport a pompelor Na+ K+, deci de restabilire a concentraiilor, raportat la unitatea de timp este de aproximativ 1000 de ori mai redus dect cea a canalelor ionice, este puin probabil ca prin excitarea repetat, fiziologic, a unei celule s se produc o scdere a concentraiei extracelulare a Na+ sau o scdere a concentraiei intracelulare a K+, pn la limita perturbrii excitabilitii. Un alt principiu de funcionare a canalelor ionice este capacitatea lor de a selecta, ntr-un grad mai mare sau mai redus transportul ionic. Majoritatea canalelor permit trecerea unui singur element ionic, dar exist i canale ionice permeabile pentru mai multe tipuri de ioni. Primul sau cel mai general grad de selecie este cel n raport de tipul de sarcin, pozitiv sau negativ. Astfel exist canale selective cationice, permisive pentru ionii din lichidul extracelular: Na+,Ca2+ i Mg2+, dar cu o distribuie i funcie mai puin cunoscut. Toate canalele anionice sunt permeabile la Cl-. Dac mecanismul de selecie a cationilor i anionilor este relativ simplu fiind dependent de sarcina electric a aminoacizilor din structura canalelor, mecanismul selectrii unui singur tip de ion din categoria cationilor, este mai puin cunoscut. Unul din criteriile implicate n procesul de selectare ionic este diametrul canalului i al ionului. Referitor la acest criteriu sunt necesare cteva precizri. n primul rnd, diametrul

5

ionilor aflai n lichidele organismului este mai mare dect cel al atomului fizic deoarece moleculele de ap sunt atrase electrostatic de ctre cationi, prin intermediul atomului de oxigen, i de ctre anioni prin intermediul hidrogenului, formnd un strat mai gros de molecule de ap, pentru ionii cu diametrul mai mic. Astfel diametrul ionilor de sodiu poate deveni mai mare dect cel al ionilor de potasiu. Procesul de selectare la acest nivel nu se face numai n funcie de diametrul iniial al ionilor hidratai deoarece acetia pierd o parte din moleculele de ap datorit unor interaciuni chimice ce se realizeaz ntre ei i aminoacizii din peretele canalului. Pierderea moleculelor de ap este proporional cu interaciunea electrostatic dintre ioni i aminoacizii din structura canalului. Dac aceast for electrostatic este mai mic dect cea dintre ioni i moleculele de ap acetia nu vor putea strbate filtrul iar, dac este mai mare, legtura chimic format va avea o durat mai mic de 1s. Dup acest timp de recunoatere ionul este eliberat, putnd astfel, s-i recapteze moleculele de ap. n general, sensul de deplasare a ionilor este unic, n acest caz, canalele comportndu-se ca un rezistor n care fluxul de curent (ioni) variaz liniar cu gradientul electrochimic. Exist un numr mai mic de tipuri de canale prin care fluxul nu variaz liniar cu fora gradientului electrochimic, comportndu-se ca un rectificator sau redresor. Aceste canale intervin n restabilirea potenialului de membran . Dac deplasarea ionilor prin canalele membranare este, n primul rnd, asigurat de ctre fora generat de gradientul electrochimic, deschiderea i nchiderea canalelor este un proces complex controlat de mai muli factori. Trecerea dintr-o stare n alta a canalelor se realizeaz prin modificri conformaionale ale proteinelor ce le compun, induse de factorul de control al deschiderii sau nchiderii canalului respectiv.Studii genice i electrofiziologice au stabilit c, n ciuda diversitii mari a tipurilor de canale, se cunosc doar trei familii principale de gene ce controleaz sinteza proteinelor din structura lor, i, mai mult toate canalele aparinnd unei familii genice au acelai mecanism funcional de control. Una dintre aceste familii este rspunztoare de formarea canalelor ionice controlate de valoarea potenialului electric al membranei neuronale. Acest tip de canale denumite canale controlate de voltaj sau canale voltaj-dependente include pe cele selective pentru Ca2+, Na+, i K+. Canalele ionice controlate de ctre transmitori sunt codificate de o alt familie de gene i cuprind canalele ce prezint receptori pentru acetilcolin(Ach), acid aminobutiric (GABA), glicin etc. A treia familie de gene controleaz sinteza proteinelor ce formeaz canalele ionice din structura sinapselor electrice. n general, dup modul lor de funcionare canalele sunt de dou categorii principale: canale fr poart (nongated ion channels) care sunt deschise permanent, deci permit

6

transportul ionic n funcie doar de gradientul electrochimic; canale cu poart (gated ion channnels) a cror deschidere i nchidere este controlat prin mai multe mecanisme. Canalele ionice fr poart Cunoscute i sub numele de canale de scurgere (din engl. leakage channels), permit deplasarea pasiv a ionilor de K+, Na+ , Cl- i Ca2+ n timpul ct membrana plasmatic prezint potenial de repaus. Identitatea canalelor de acest tip nu este pe deplin elucidat dar permeabilitatea lor este mult mai mic n comparaie cu a celor controlate de voltaj sau de neurotransmitor. Dealtfel, ntre transportul ionic prin aceste canale i cel realizat prin intermediul pompelor exist o interdependen al crui rezultat este stabilirea unei stri de echilibru ntre cele dou sisteme de transport. Canalele fr poart pentru sodiu permit influxul pasiv al acestui cation n timpul repausului fiind n echilibru cu efluxul lui realizat de ctre pompa Na+ - K+ . O importana deosebit au canalele fr poart, n special, cele de Na+ pentru celulele nervoase ce prezint capacitatea de a genera spontan, poteniale de aciune, Canalele fr poart pentru clor au o repartiie celular asemntoare celor pentru Na+ , dar rata lor de transport este, probabil, mult mai mic datorit concentraiei mari a anionilor intracelulari. Din cele prezentate, rezult c transportul ionic prin aceste canale ionice se realizeaz conform gradientului electrochimic dar fr a se ajunge niciodat la egalizarea concentraiilor dintre cele dou sectoare separate de membrana celular. Explicaia const n faptul c dei canalele fr poart nu prezint un sistem propriu de control, fluxul ionic prin intermediul lor este modulat, pe de o parte, de capacitatea mai mic de transport fa de canalele controlate iar, pe de alt parte, concentraia intracelular mare a anionilor organici fixeaz electrostatic K+. n acest fel, n ciuda gradientului de concentraie i a unui numr mare de canale fr poart, efluxul de K+, semnificativ din punct de vedere cantitativ, nu poate avea loc dect n urma unui influx corespunztor de sarcini pozitive. Aceast condiie se realizeaz n timpul depolarizrii, cnd, pentru majoritatea celulelor influxul de sarcini pozitive este produs de Na+. Dar n aceste condiii efluxul de K+ va avea loc prin canalele controlate, a cror rat de transport este mult mai mare dect a celor fr poart. O alt funcie important a canalelor de acest tip, dar, n general, mai puin prezentat, este meninerea homeostaziei presiunii osmotice i, implicit, a volumului i formei celulare. Aceast funcie este ndeplinit prin faptul c pe lng permeabilitatea fa de ioni, canalele permit difuzia moleculelor de ap. Canale ionice cu poart Dac potenialul de repaus este echilibrul dintre transportul prin intermediul canalelor fr

7

poart i a pompelor ionice, potenialul de aciune este rezultatul transportului ionic controlat prin intermediul canalelor cu poart. Dup mecanismul de control al transportului ionic canalele cu poart pot fi: 1. canale voltaj-dependente - controlate de potenialul electric de membran; 2. canale controlate de ligani; 3. canale controlate de stimuli mecanici; 4. canale controlate de concentraia altui ion dect al celui care este transportat. n general, un canal este controlat de un singur factor dar exist canale prin care transportul este dependent de doi factori dintre care unul este principal; ex. canalele de K+ dependente de concentraia Ca2+ i de potenialul de membran. Pompe ionice enzime - utilizeaz diverse surse de energie predominant ATP pentru a deplasa ionii (mai ales cationi) i ali solvii prin membrana celular. n general stabilesc gradieni de concentraie ai speciilor respective de-o parte i alta a membranei. Sunt implicate n transportul activ primar. Clasificarea pompelor ionice: 1. Pompe ionice activate de lumin (proteine retinale cum ar fi bacteriorodopsina BR sau halorodopsina, proteine Fotoredox) 2. ATP-aze ( familia F0F1, familia ATP-azelor de tip P, familia transportorilor ABC) care folosesc energia provenit din hidroliza ATP pentru a transloca diferite specii de pe o parte pe alta a membranei celulare. ATP-azele Familia F0F1 are la rndul su dou subfamilii: F0F1 sau F-ATP-aze- activeaz sinteza ori hidroliza ATP n funciile de condiiile mediului i V0V1 sau V-ATPazecontroleaz acidifierea coninutului diferitelor vezicule transport protoni. Se gsesc n sistemul vacuolar al eucariotelor. F- ATP azele se gsesc n eubacterii, mitocondrii, cloroplaste i utilizeaz gradieni de protoni creai de alte proteine membranare (redox sau activate de lumin) pentru sinteza ATP (ex. ATP-sintaza). Au dou pri (figura), F1 globular, solubil n ap, catalizeaz (subunitile beta) hidroliza sau sinteza ATP n functie de condiii. Subunitile C sunt cele prin care trec protonii. La trecerea protonilor se rotete partea globular i prin rotire se stabilete o conformaie favorabil sintezei de ATP. Invers, cnd exist ATP mult, acesta este hidrolizat i se elibereaz energie care duce la rotaia subunitilor C. Astfel este favorizat transportul de protoni. Mecanismul transportului de protoni n subunitile C nu este cunoscut. V-ATP azele sunt exclusiv pompe protonice, nu pot sintetiza ATP, doar l hidrolizeaz. Au structura asemntoare cu cea a poteinelor F-type.

8

Familia ATP-azelor de tip P (ATP-aze E1E2) conine proteine care produc diveri gradieni transmebranari. Din aceast familie fac parte pompe ionice bine cunoscute cum ar fi: Na+, K+-ATP-aza care transport 3Na+ spre exteriorul celulei i 2K+ spre interior. Se gsete n membrana plasmatic celular, genereaz gradieni de Na+ i K+. H+, K+ -ATP-aza, transport 1 H+ spre exteriorul celulei contra a 1 K+ spre interiorul celulei, se gsete n membranele plasmatice n stomac i rinichi, implicat n secreia gastric i duodenal. Ca++-ATP-aza SERCA, transport 2 Ca++ spre SR ori ER i 2 H+ spre citosol, se gsete n reticulul sarcoplasmic i endoplasmic, scade concentraia de Ca++ intracelular. Ca++-ATP-aza PMCA, transport 1 Ca++ spre exterior contra a 1 H+, se gsete n membrana plasmatic, scade concentraia de Ca intracelular. H+-ATP-aza, transport n afara celulei 1 H+, se gsete n membrana plasmatic a drojdiilor, plantelor, protozoarelor, genereaz gradient protonic. P-ATP-azele pot fi implicate n unele boli, de ex.: mutaii ale Ca++ATP-azei induc rigiditate i crampe musculare, ale Cu++ ATP-azelor pot fie s provoace sindromul Menks pacienii au deficit de Cu++, fie boala Wilson, incapacitatea de a elimina Cu++ din ficat cu efect toxic. n caz de ulcer se folosete Omeprazolul care inhib H+,K+ ATP-aza gastrica, scznd aciditatea gastric. Transportorii ABC formeaz familia cea mai larg i diversificat. Se gsesc n toate organismele. Substratele acestora pot fi ioni anorganici, zaharuri, aminoacizi, polizaharide complexe, peptide si chiar proteine. Unii dintre acetia pot s fie n acelai timp canale (CFTR). Menionm dou tipuri: CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) care permite ionilor de Cl s ias din celul pe baza gradientului lor electrochimic. Deschiderea canalului este comandat de hidroliza ATP. NaCl la polul apical al celulelor

9

pulmonare creeaz o presiune osmotic datorit creia apa din celule este extras prin canalele pentru ap aquaporinele. Speciile ionice sunt din nou transportate n celule prin pompa de Na, K, respectiv transportorul Na, K, 2Cl i circuitul se reia. n acest fel se pstreaz un echilibru hidric ce permite curaarea de bacterii i secreii a lumenului bronhiolelor. n lipsa Cl, prin mutaii la nivelul CFTR (nu se exprim o fenilalanin) plmnul este uscat i se acumuleaz secreii, mucus, prin activitatea bacteriilor. Apar infecii i nu se mai pot face corect schimburile de gaze. Boala se numete fibroz cistic sau mucoviscidoz i se termin prin moarte. MDR1 i MDR2 (multiple drug resistance proteins). Pot transporta o multitudine de molecule hidrofobe, molecule care pot intra n celul prin bistratul lipidic i care pot fi toxice pentru aceasta. MDR scot afar aceste molecule. Dar asemenea molecule pot fi i medicamentele utilizate n chimioterapie. Celulele canceroase pot s supraexprime asemenea transportori reducnd eficiena chimioterapiei. Noutati : n 1957 Jens Skon a descoperit o enzima cu mas molar de circa 110kgmol care hidrolizeaz ATP-ul numai dac alturi de ionul Mg +2 , necesar tuturor ATPozelor (enzimele care catalizeaz hidroliza ATP) sunt prezeni i ioni de Na+ i K + . Aceast descoperire explica modul cum funcioneaz o pomp ionic. Conform rezultatelor cercetrilor realizate de ctre George Eisenman i Bertil Hille, canalele ionice prezint o zon mai ngust ce acioneaz ca un filtru de selectare a ionilor. In privinta canalelor ionice, nc de la sfritul sec XIX, studiul lor a nceput odat cu dezvoltarea tehnicii de patch-clamp de ctre Erwin Neher i Bert Sakmann din anul 1976.

10

11