Fenomene de transport prin Fenomene de transport prin membrana celularmembrana celular

Structura Structura i funciile i funciile membranei membranei celularecelulare

MModaliodaliti ti de transport membranarde transport membranar

Receptori i traductori de informaie Receptori i traductori de informaie n membranele biologicen membranele biologice

Membrana celular (7,5 nm)Membrana celular (7,5 nm) ansamblu de structuri supramoleculare

aflat la periferia celulei care separ mediul celular de interstiial;

separ i organitele celulare de citoplasm;

este semipermeabil; este selectiv.

Prin Prin proprietile de proprietile de semipermeabilitatesemipermeabilitate i i selectivitate selectivitate asigur:asigur:

transporttransport dede molecule, ioni, macro molecule, ioni, macro--molecule, complexe supramolecularemolecule, complexe supramoleculare;;

traducere i transfer de informaietraducere i transfer de informaieprin receptorii specifici pe care i conine;prin receptorii specifici pe care i conine;

interconversiainterconversia diferitelor forme de diferitelor forme de energie, prin enzimele sau complexele energie, prin enzimele sau complexele enzimatice pe care le conine.enzimatice pe care le conine.

Funciile membranei celulare

STRUCTURA MEMBRANEI STRUCTURA MEMBRANEI CELULARECELULARE

LipideLipide ProteineProteine GlicoproteineGlicoproteine

LIPIDELELIPIDELE

Fosfogliceride (fosfolipide) Fosfogliceride (fosfolipide) (acizi (acizi grasi, glicerol, fosfat, alcool)grasi, glicerol, fosfat, alcool)

Sfingolipide Sfingolipide ColesterolColesterol GlicolipideGlicolipide

Bistratul lipidicBistratul lipidic::

Rol major: formarea Rol major: formarea matricii pentru fixarea matricii pentru fixarea proteinelorproteinelor

Intr-o soluie apoas fosfolipideleformeaz de la sine structuri complexe

Micele Bistraturi

Dac lungimea lanurilor lipidice crete stabilitatea bistratului crete permeabilitatea bistratului scade

Membran solid Membran fluid

FluiditateFluiditate translaietranslaie (difuzie lateral) (difuzie lateral) rotaierotaie n jurul propriei axe n jurul propriei axe bascularebasculare dintr-un monostrat n cellalt dintr-un monostrat n cellalt flexieflexie (ndoire) (ndoire)

Membrane artificialeMembrane artificialeLipozomi, Lipozomi, BBistrate lipidiceistrate lipidice

BLMBLM (black lipid membranes) (black lipid membranes)SSMSSM (solid supported membranes)(solid supported membranes)

Ag/AgCl

PCThiol

GOLD

I(t)Na+

Bistratul lipidic = barier pentru molecule hidrofile

proteine, zaharuri, acizi nucleici, ioni

Membranele celulare = bistraturi lipidicen care sunt ncorporate (integral sau parial)

proteine glicoproteine lipoproteine

Mediu extracelular Lan de oligozaharide

Fosfolipid

Glicolipid

Colesterol

CitoplasmProteineintegrale

Proteinperiferic

Proteinele membranareProteinele membranarea)a) proteine intrinseci (integrale)proteine intrinseci (integrale) (70%) (70%)

(enzime, receptori, canale ionice, pompe ionice, (enzime, receptori, canale ionice, pompe ionice, transportori)transportori)

b) proteine extrinseci (periferice)b) proteine extrinseci (periferice) (particip(particip la la reacreacii enzimatice, semnalizare celularii enzimatice, semnalizare celular, la , la scheletul membranar al suprafescheletul membranar al suprafeeiei citoplasmaticcitoplasmaticee, , asigurasigur leg legtura cu citoscheletul)tura cu citoscheletul) Pot efectua miPot efectua miccri de translari de translaie, unele bine orientate ie, unele bine orientate (intervin proteine motoare)(intervin proteine motoare)

10% din fosfolipidele i proteinele membranareleag covalent lanuri de oligozaharide

Glicolipide, glicoproteineGlicolipide, glicoproteine Glucoza, galactoza,Glucoza, galactoza,Acidul sialicAcidul sialic

CitoscheletulCitoscheletul

Micrografie electronic n care se observ dispoziia proteinelor scheletului

intern al membranei

Clasificarea proteinelor integraleClasificarea proteinelor integrale

Pompe ionicePompe ionice (transport activ prmar) (transport activ prmar)

TransportoriTransportori (transport pasiv (transport pasiv i transport i transport activ secundar)activ secundar)

Canale ioniceCanale ionice (transport pasiv) (transport pasiv)

MModaliti de transport odaliti de transport membranarmembranar

11.. MacrotransportMacrotransport (endocitoza, transcitoza, (endocitoza, transcitoza, exocitoza)exocitoza)

fagocitozafagocitoza pinocitozapinocitoza

endocitoza mediatendocitoza mediat de receptori de receptori

2.2. MicrotransportMicrotransport pasivpasiv activactiv

MacrotransportMacrotransportFagocitozaFagocitoza (sunt inglobate particule de substan (sunt inglobate particule de substan

solidsolid

FagociteMacrofage

distrugsubstane toxicereziduuri celularebacterii

PinocitozaPinocitozaAre loc analog cu fagocitoza, dar sunt transportate picturi de lichid

Endocitoza mediatEndocitoza mediat de receptori de receptori

Anumite substane extracelulare se leag la receptori membranari specifici

PinocitozaPinocitoza EndocitozEndocitoz

TranscitozTranscitoztrecerea proteinelor plasmatice din snge trecerea proteinelor plasmatice din snge n spaiul extravascularn spaiul extravascular - transcitoz prin - transcitoz prin endoteliul capilarendoteliul capilar

ExocitozExocitoz n terminaiile nervoase i celulele n terminaiile nervoase i celulele secretoriisecretorii ((ex. ex. acetilcolina, insulina)acetilcolina, insulina)

MicrotransportMicrotransportTransportul pasivTransportul pasiv

- cauza : - cauza : diferendiferena de potena de potenial electrochimicial electrochimic -- nu necesitnu necesit energie chimic energie chimic metabolic metabolic

Transportul activTransportul activ- poten- potenial electrochimic mai mic ial electrochimic mai mic poten potenial ial electrochimic mai mareelectrochimic mai mare- - necesitnecesit energie chimic energie chimic (hidroliza ATP sau GTP, (hidroliza ATP sau GTP, energia electronilor din lanenergia electronilor din lanul de oxido-reducere, ul de oxido-reducere, energia fotonilor, gradienenergia fotonilor, gradienii imprimaii imprimai unor solvii unor solvii de i de reacreacii chimice anterioare etc)ii chimice anterioare etc)

MicrotransportMicrotransport

Transportul pasivTransportul pasiv are loc n sensul gradientului are loc n sensul gradientului

electrochimic sau de presiuneelectrochimic sau de presiune

fr consum de energie metabolicfr consum de energie metabolic

nspre echilibrul termodinamicnspre echilibrul termodinamic

cauze:cauze:

Fore electrostaticeFore electrostatice

AgitaAgitaiia termica termic

Diferena de potenial Diferena de potenial electrochimicelectrochimic

W > 0 - ionii au tendina de a prsi celula;W > 0 - ionii au tendina de a prsi celula;W < 0 - ionii au tendina de a ptrunde n W < 0 - ionii au tendina de a ptrunde n

celulcelul

( )exinex

inexin VVzFc

cRTWWW +== ln

Ecuaia NernstEcuaia Nernst

Transportul unei specii ionice nceteaz la Transportul unei specii ionice nceteaz la echilibru echilibru W = 0W = 0

in

exexin c

czFRTVVE ln==

Modaliti de transport Modaliti de transport pasivpasiv

Difuzia simplDifuzia simpl

Difuzia facilitatDifuzia facilitat

Difuzia prin canale i poriDifuzia prin canale i pori

Difuzia simplDifuzia simpl dizolvare n dizolvare n

membranmembran legea lui Fick:legea lui Fick:

//t = - PAt = - PAcc

P = P = D/D/ coeficient de coeficient de

partiie partiie Ex. SchimbuSchimburilerile de de gazgaze e nn alveolelalveolele e pulmonarepulmonare

Specii care strbat membrana prin Specii care strbat membrana prin difuzie simpldifuzie simpl

Difuzia facilitatDifuzia facilitat

molecule transportoare - molecule transportoare - uniportuniport acioneaz acioneaz n sensul gradientului n sensul gradientului

electrochimic electrochimic au o anumit au o anumit specificitatespecificitate pot distinge speciile levogire de cele pot distinge speciile levogire de cele

dextrogiredextrogire

Ex.: transportori pentru glucoz, Ex.: transportori pentru glucoz, colin, pentru diferii ioni (n acest caz colin, pentru diferii ioni (n acest caz transportorul se numete transportorul se numete ionoforionofor))

Mecanismul difuziMecanismul difuzieiei facilitatfacilitatee

SStri conformaionale tri conformaionale distincte: T1 i T2distincte: T1 i T2

Mecanisme de Mecanisme de inhibiie:inhibiie: competitivcompetitiv necompetitivnecompetitiv

Difuzie facilitatDifuzie facilitat

transportori pentru ioni - transportori pentru ioni - ionoforiionofori: : valinomicina (K+,valinomicina (K+, Rb+)Rb+) Nigericina (K+, H+, schimb neutru) Nigericina (K+, H+, schimb neutru)

CANALELE IONICE I CANALELE IONICE I PORIIPORII

Sunt structuri care asigur Sunt structuri care asigur trecerea prin membrana celular a trecerea prin membrana celular a speciilor care nu sunt liposolubilespeciilor care nu sunt liposolubile

CANALE IONICECANALE IONICE

proteine specializate intrinseci proteine specializate intrinseci sunt sunt selectiveselective permit trecerea ionilorpermit trecerea ionilor n ambele n ambele sensuri, sensuri,

preponderent n sensul gradientului preponderent n sensul gradientului electrochimicelectrochimic

complex enzim- substrat,complex enzim- substrat, cinetic cinetic Michaelis-MentenMichaelis-Menten Obs.Obs. Pentru ca un ion s treac dintr-o parte n Pentru ca un ion s treac dintr-o parte n

cealalt este necesar ca un canal s fie deschiscealalt este necesar ca un canal s fie deschis

Cinetica Michaelis-MentenCinetica Michaelis-Menten

specia transportat (specia transportat (SS11) se leag de ) se leag de proteina canal (proteina canal (EE), formnd un ), formnd un complex enzim-substrat (complex enzim-substrat (ESES))

2121 SEESSE kk + +

Structura schematic a unui canal ionicStructura schematic a unui canal ionic

Filtru de selectivitate, Filtru de selectivitate, vestibul, senzor, poart, vestibul, senzor, poart, inactivatorinactivator

Canal ionic

Membranacelular

Membranacelular

Filtruionic

A

B

Poarta

Vestibul

Mecanism specificMecanism specific de deschidere de deschidere : :

electricelectric (canalele de Na(canalele de Na++, K, K++ n n membrana axonal)membrana axonal)

chimicchimic (receptorul de acetilcolina, (receptorul de acetilcolina, canalul de Nacanalul de Na++, Ca, Ca++++ controlat de GMPc) controlat de GMPc)

alte mecanisme (ex. alte mecanisme (ex. mecanicmecanic, CC), CC) jonciuni membranarejonciuni membranare (ex. sinapsa (ex. sinapsa

electric)electric)

blocani specificiblocani specifici unele toxine (tetrodotoxina - unele toxine (tetrodotoxina - NaNa++))

Canal de K dependent de voltajCanal de K dependent de voltaj

Difuzia prin pori Difuzia prin pori

Deosebiri ntre cele dou tipuri de Deosebiri ntre cele dou tipuri de difuzie (facilitat, canale)difuzie (facilitat, canale)

transportoriitransportorii - - specificitate mai marespecificitate mai mare (disting ntre L i D)(mii ioni/s);(disting ntre L i D)(mii ioni/s);

canalelecanalele - viteza mult mai mare - viteza mult mai mare (milioane (milioane - sute de milioane de ioni/s;- sute de milioane de ioni/s;

transportorii transportorii sunt n sunt n numr mult mai numr mult mai maremare;;

transportoriitransportorii pot participa la pot participa la transportul transportul activ secundaractiv secundar

Transportul activTransportul activ necesit energie metabolicnecesit energie metabolic (hidroliza (hidroliza

ATP sau GTP, energia electronilor din lanATP sau GTP, energia electronilor din lanul de ul de oxido-reducere, energia fotonilor, gradienoxido-reducere, energia fotonilor, gradienii ii imprimaimprimai unor solvii unor solvii de reaci de reacii chimice ii chimice anterioare etc.)anterioare etc.)

se realizeaz nse realizeaz n sensul invers sensul invers gradientului electrochimicgradientului electrochimic

creeazcreeaz, n general, , n general, gradieni ai gradieni ai speciilorspeciilor de-o parte i de alta a de-o parte i de alta a membraneimembranei

Modaliti de tModaliti de transport activransport activ

TTransport ransport activ primaractiv primar

TTransport ransport activ secundaractiv secundar:: simport simport (co-transport) (co-transport) antiportantiport (contra-transport) (contra-transport)

Transportul activ primarTransportul activ primar

Pompe ionice membranarePompe ionice membranare -- proteine proteine intrinseci cu proprieti enzimatice- intrinseci cu proprieti enzimatice- cuplaj energetic imediatcuplaj energetic imediat

Clasificare:Clasificare: Pompe ionice activate de luminaPompe ionice activate de lumina (BR, HR, (BR, HR,

PR, SR, XR, Fotoredox)PR, SR, XR, Fotoredox) ATP-azeATP-aze (F0F1-ATP-aze, P-ATP-aze, (F0F1-ATP-aze, P-ATP-aze,

Transportori ABC)Transportori ABC)

Pompe ionice activate de luminaPompe ionice activate de lumina

Ex. Pompa protonic Ex. Pompa protonic bacteriorodopsina bacteriorodopsina BRBR

Pompa de clor Pompa de clor halorodopsina - HRhalorodopsina - HR

Familia F0F1Familia F0F1 F0F1 F0F1 - mitocondrii eucariote, cloroplaste - mitocondrii eucariote, cloroplaste activeaza fie sinteza fie hidroliza ATPactiveaza fie sinteza fie hidroliza ATP

V0V1V0V1 - vacuole - vacuole pompe protonice, controleazpompe protonice, controleaz acidifierea diferitelor vacuole acidifierea diferitelor vacuole

La trecerea protonilor se rotete partea globular i prin rotire se stabilete o conformaie favorabil sintezei de ATP.

Familia P-ATPazelorFamilia P-ATPazelor(ATPaze (ATPaze E1E2)E1E2)

NaNa++, K, K++-ATPaza-ATPaza (3Na (3Na++, 2K, 2K++, membrana plasmatic, membrana plasmatic, , genereazgenereaz gradien gradieni de Nai de Na++ si K si K++))

HH++, K, K++ ATPaza ATPaza , 1 H , 1 H++, 1 K, 1 K++, membrane plasmatice , membrane plasmatice n n stomac stomac i rinichi, secrei rinichi, secreie gastricie gastric i duodenali duodenal

CaCa++++, ATPaza SERCA, ATPaza SERCA, 1 Ca, 1 Ca++++, 2 H, 2 H++ (SR, ER) scad (SR, ER) scad concentraconcentraia Caia Ca++++ intracelular intracelular

CaCa++++ ATPaza PMCA ATPaza PMCA, 1 Ca, 1 Ca++, 1 H, 1 H++, membrana , membrana plasmaticplasmatic, scad concentra, scad concentraia Caia Ca++++ intracelular intracelular

HH++ ATPaza ATPaza, 1 H, 1 H++, membrana plasmatic, membrana plasmatic a drojdiilor, a drojdiilor, plantelor, protozoarelor, genereazplantelor, protozoarelor, genereaz gradient protonic gradient protonic

Etapele de funcEtapele de funcionare a pompelor ionare a pompelor ATPaziceATPazice

MMolecula ATP se leag la molecula olecula ATP se leag la molecula pompeipompei

ATP este ATP este hidrolizat la ADPhidrolizat la ADP PPompompaa absoarbe parial energia absoarbe parial energia

furnizatfurnizat Pompa Pompa i schimb conformaiai schimb conformaia Translocarea Translocarea moleculei hidrofilemoleculei hidrofile RRelaxarea pompeielaxarea pompei Pompa Pompa revine la conformaia iniialrevine la conformaia iniial

NaNa++,K,K++- ATP-aza- ATP-azaPomp ionic Pomp ionic electrogenic, 2 electrogenic, 2 2 2 In repaus: ~30% din energia ATP-ului celularIn celulele nervoase, consumul ajunge la 70% din consumul energetic celular

Schema Albers-PostSchema Albers-Post

Funcionarea Funcionarea NaNa++,K,K++- ATP-azei- ATP-azei

ImplicaImplicaii patologice ale disfunciilor ii patologice ale disfunciilor P-ATPazelorP-ATPazelor

Exemple, mutaExemple, mutaii aleii ale:: CaCa+ ++ +-ATPazei: rigiditate -ATPazei: rigiditate i crampe muscularei crampe musculare CuCu+ ++ +-ATPazei: -ATPazei:

sindrom Menks paciensindrom Menks pacienii au deficit de Cuii au deficit de Cu boala Wilson, incapacitatea de a elimina Cu din ficat boala Wilson, incapacitatea de a elimina Cu din ficat

cu efect toxiccu efect toxic

Ulcerul Ulcerul - - HH++,K,K++-ATPaza gastric-ATPaza gastric inhibitor inhibitor OmeprazolOmeprazol

Transportorii ABCTransportorii ABCFamilia cea mai rFamilia cea mai rspspnditndit, substratele: ioni , substratele: ioni anorganici, zaharuri, aminoacizi, polizaharide anorganici, zaharuri, aminoacizi, polizaharide complexe, peptide, proteinecomplexe, peptide, proteine

CFTR CFTR (cystic fibrosis transmembrane (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator)conductance regulator) canal de Cl canal de Cl-- deschis prin deschis prin hidroliza ATP hidroliza ATP echilibru hidricechilibru hidric (plam (plamn, rinichi)n, rinichi) fibroz cistic (mucoviscidoz)fibroz cistic (mucoviscidoz)

MDR1, MDR2MDR1, MDR2 (multiple drug resistance proteins) (multiple drug resistance proteins) transport transport molecule hidrofobe spre exterior molecule hidrofobe spre exterior rezistenrezistena la chimioterapiea la chimioterapie

Transportul activ secundarTransportul activ secundar

Ptrunderea speciilor transportate Ptrunderea speciilor transportate mpotriva mpotriva gradientului lor electrochimicgradientului lor electrochimic, prin asocierea , prin asocierea cu molecule care se deplaseaz normal cu molecule care se deplaseaz normal conform propriului lor gradient de concentraie conform propriului lor gradient de concentraie

Tipuri:Tipuri: simportsimport (co-transport) (co-transport) antiportantiport (contra-transport) (contra-transport)

Simport

AntiportAntiport

n n muchimuchi- - antiport 3 Naantiport 3 Na++/ 1 Ca/ 1 Ca++++ - - electrogenicelectrogenic (sarcina net +1). Asigura concentraia sczut a Ca(sarcina net +1). Asigura concentraia sczut a Ca++++ n interior pe seama pomprii active a Nan interior pe seama pomprii active a Na++

Fenomene de transport prin membrana celularMembrana celular (7,5 nm) Slide 3Slide 4STRUCTURA MEMBRANEI CELULARELIPIDELEBistratul lipidic:Slide 8Slide 9Membrane artificialeSlide 11Slide 12Proteinele membranareCitoscheletulMicrografie electronic n care se observ dispoziia proteinelor scheletului intern al membraneiClasificarea proteinelor integraleModaliti de transport membranarMacrotransportPinocitozaSlide 20MicrotransportSlide 22Transportul pasivDiferena de potenial electrochimicEcuaia NernstModaliti de transport pasivDifuzia simplSpecii care strbat membrana prin difuzie simplDifuzia facilitatMecanismul difuziei facilitateDifuzie facilitatSlide 32CANALELE IONICE I PORIICANALE IONICECinetica Michaelis-MentenStructura schematic a unui canal ionicSlide 37Canal de K dependent de voltajSlide 39Difuzia prin pori Deosebiri ntre cele dou tipuri de difuzie (facilitat, canale)Transportul activModaliti de transport activTransportul activ primarPompe ionice activate de luminaFamilia F0F1 Familia P-ATPazelor (ATPaze E1E2)Etapele de funcionare a pompelor ATPaziceNa+,K+- ATP-azaSchema Albers-PostFuncionarea Na+,K+- ATP-azeiSlide 52Implicaii patologice ale disfunciilor P-ATPazelor Transportorii ABCTransportul activ secundarSlide 56Slide 57Antiportn muchi- antiport 3 Na+/ 1 Ca++ - electrogenic (sarcina net +1). Asigura concentraia sczut a Ca++ n interior pe seama pomprii active a Na+