transport membranar

Fizică medicală – Fenomene de transport prin membrana celulară

Fenomene de transport prin membrana celulară

Structura şi funcţiile membranei celulare

Organismele vii sunt alcătuite dintr-un

număr foarte mare de compartimente fluide

interdependente, mărginite de membrane

plasmatice. Membranele celulare sunt

structuri planare cu grosimi moleculare

cuprinse între 6 şi 10 nm (1 nm = 10-9 m) care

îndeplinesc cel puţin două funcţii dinamice

esenţiale, ele neputând fi privite ca nişte

pelicule pasive care delimitează două medii

care au caracteristici fizico-chimice diferite

(lichidul interstiţial şi citoplasma).

Prima funcţie a membranei celulare

este de a împiedica mişcarea liberă a

particulelor între două compartimente

adiacente (lichidul interstiţial şi citoplasma),

prin urmare membrana are rolul unei bariere

fizice active. Lichidul interstiţial şi citoplasma

sunt sisteme disperse având ca solvent apa,

iar ca faze dispersate electroliţi (ioni de Na,

K, Cl, Ca, Mg), macromolecule (de ex.

proteinele), organite intracelulare (de ex.

mitocondriile) şi molecule polare mici, în

concentraţii diferite. Lichidul interstiţial şi

citoplasma au aceeaşi osmolaritate de

aproximativ 300 mOsM/l, fiind deci, lichide

izotonice.

Fiind semipermeabile şi selective,

membranele celulare îndeplinesc şi o a doua

funcţie foarte importantă şi anume reglarea

volumului şi a compoziţiei mediului

intracelular. Această reglare asigură

menţinerea la valori constante a compoziţiei şi

volumului intra- şi extracelular, în ciuda

fluctuaţiilor din mediul extern.

Structura membranei celulare a fost

studiată prin microscopie electronică şi difracţie

de raze X.

Fig. 1 Structura membranei celulare conform modelului

mozaicului fluid proteolipidic

Principalii constituenţi ai membranelor

biologice sunt lipidele şi proteinele, conform

modelului mozaicului fluid proteolipidic

(Fig. 1) al lui Nicholson şi Singer elaborat în

1972: membrana este formată dintr-un bistrat

lipidic, în care sunt inserate proteine şi

glicoproteine.

Lipidele sunt molecule insolubile în apă

şi uşor solubile în solvenţi organici, constituind

aproximativ 50% din masa membranelor

celulelor animale, având o densitate de

aproximativ 5⋅106 lipide / 1 µm2 arie de

membrană. Lipidele formează matricea pentru

fixarea proteinelor, dar îndeplinesc şi alte funcţii.

Lipidele sunt fie amfifile, adică prezintă

capăt polar (extremitate polară care

interacţionează puternic cu apa) şi una sau mai

1


multe catene alifatice puternic hidrofobe

(formate din două lanţuri de hidrocarburi

numite şi cozi hidrofobe) (Fig. 2).

Fig. 2 Moleculele lipidice sunt amfifile

Această conformaţie influenţează

împachetarea şi mişcarea respectivei

molecule lipidice în planul lateral al

membranei. Capetele polare ale moleculelor

amfifile au radicali fosfat şi sunt fie ionice fie

neutre, acestea din urmă au o distribuţie

asimetrică a sarcinii electrice determinând

orientarea în câmpul electric sau magnetic.

Cele mai importante clase de lipide

întâlnite în constituirea bistratul lipidic sunt:

fosfolipidele, glicolipidele şi colesterolul.

Fosfolipidele sunt derivaţi ai

glicerolului (acool simplu) sau ai sfingosinei

(alcool complex) (Fig. 3). Există fosfolipide

care conţin colină: fosfatidilcolina,

sfingomielina sau care nu conţin colină:

fosfaditiletanolamina, fosfatidilserina,

fosfatidilinositol etc. Una dintre cele două cozi

hidrofobe ale fosfolipidelor se prezintă sub

forma unui lanţ drept de acizi graşi saturaţi,

iar cealaltă prezintă o mică buclă datorită unei

legături duble cis nesaturate.

Fosfolipidele sunt asimetric distribuite în

bistrat, astfel, pe partea interstiţială a

membranei se afla fosfaditilcolina şi

sfingomielina, iar pe partea citoplasmatică a

membranei se afla fosfaditiletanolamina şi

fosfaditilserina care are şi sarcina electrică

negativă.

Glicolipidele conţin la capătul polar

molecule de zahăr (glucoză sau galactoză), ele

fiind întâlnite exclusiv pe suprafaţa extracelulară

a membranelor lipidice.

Colesterolul se orientează în

biomembrane cu grupările hidroxil din structura

inelară steroidă în vecinătatea capetelor polare

ale fosfolipidelor (Fig. 7) interacţionând şi

imobilizând parţial grupările hidrocarbonate din

cozile fosfolipidelor, având ca efect scăderea

fluidităţii biomembranelor.

Interacţia fosfolipide – apă

Capetele polare ce conţin gruparea fosfat

interacţionează cu moleculele polare de apă.

Deoarece cozile moleculelor amfifile sunt

hidrofobe, interacţia cu moleculele de apă este

mai slabă decât interacţia dinrte moleculele de

apă, din acest motiv, la contactul cu apa, cozile

hidrofobe sunt eliminate din contactul cu

aceasta.

În funcţie de concentraţia fosfolipidelor în

apă, se pot realiza trei tipuri de structuri (Fig. 4):

- monostrat lipidic pentru concentraţii mici de

fosfolipide; prin împrăştierea unei soluţii de

lipide pe o fază apoasă se formează spontan un

2


monostrat la interfaţa aer/apă unde capetele

polare ale lipidelor sunt orientate către apă,

iar cozile hidrofobe către aer; astfel, lipidele

sunt surfactanţi (au proprietatea de a scădea

coeficientul de tensiune superficială al apei)

Fig. 3 Clasificarea lipidelor membranare în funcţie de structura lor (Structure-based classification of membrane lipids

Expert Reviews in Molecular Medicine © 2002 Cambridge University Press)

- micele, când conţinutul de lipide al

amestecului este mult mai mare catenele

alifatice se vor orienta către interior, iar

capetele polare vin în contact cu faza apoasă

3

- bistraturi, la concentraţie foarte mare de

fosfolipid, capetele polare vin în contact cu faza

apoasă, iar catenele alifatice sunt împachetate

paralel una cu alta; miezul lipidic fiind hidrofob

este exclus din faz apoasă, iar bistraturile


lipidice se închid spontan formând vezicule

stabile.

Fig. 4 Organizarea spontană în apă a moleculelor

lipidice

Fig. 5 La temperatura la care se desfăşoară procesele

biologice, bistratul lipidic se comportă ca o structură

dinamică

Bistratul lipidic este o structură

dinamică, prezentând fluiditate: moleculele

lipidice prezintă mişcări de translaţie în stratul

în care se află (difuzie laterală), rotaţie în jurul

axei proprii, rotaţie descriind o suprafaţă conică,

flexie, basculare dintr-un strat lipidic în celălalt.

Experimentul Gorter – Grendel

În 1925, Gorter şi Grendel, fondatorii

modelului actual al membranei plasmatice, au

emis ipoteza că dacă membrana plasmatică

este bistrat, atunci, suprafaţa ei trebuie să fie

jumătate din cea ocupată de totalitatea lipidelor

sale într-un monostrat. Pentru a testa această

ipoteză ei au măsurat suprafaţa eritrocitelor

recoltate de la diferite mamifere la microscop,

apoi au extras lipidele din membrana

eritrocitelor, au împrăştiat lipidele la supraţata

aer/soluţie salină şi au măsurat aria

monostratului obţinut. Prin compararea celor

două tipuri de măsurători s-a obţinut raportul de

aproximativ 2:1 pentru diferitele celule roşii,

confirmând astfel modelul de bistrat al

membranei plasmatice.

Proteinele membranare Proteinele sunt macromolecule care

constituie elemente esenţiale pentru toate

procesele biologice. Concentraţia proteinelor

membranare variază între 20% (mielina, de

exemplu) şi 75% (în membrana mitocondriilor)

sau chiar 80% (în membrana microorganismului

Halobacterium halobium, conţinând

bacteriorodospină care este un pigment

fotosensibil).

Proteinele reprezintă elementul activ al

membranei, fiind structuri organizate de bază în

desfaşurarea următoarelor procese biologice:

4


- fenomene de transport (canalele şi

transportorii care contribuie la transportul

ionilor şi al moleculelor mici sunt proteinele

specifice)

- cataliza enzimatică (enzimele, în majoritatea

cazurilor, sunt structuri proteice, care măresc

vitezele de reacţie ale proceselor desfăşurate

in vivo de ordinul milioanelor)

- mişcarea coordonată (de exemplu, actina şi

miozina sunt structuri proteice specifice

responsabile pentru existenţa mişcării

coordonate)

- suport mecanic (colagenul este o proteină

esenţială în structura pielii, a ţesuturilor

osoase şi a tendoanelor)

- imunoprotecţie (anticorpii sunt de asemenea

poteine extrem de specializate cu rol în

recunoaşterea organismelor străine)

Varietatea lor este mult mai mare

decât a lipidelor fiind determinată de

diversitatea funcţiilor lor.

În funcţie de modul în care se

insereaza în membrana, proteinele (Fig. 6)

sunt:

a) proteine intrinseci (integrale) care au

următoarele caracteristici:

- traversează membrana celulară o dată

(glicoforina) sau de mai multe ori (exemplu:

proteinele transportoare, pompe ionice

constituite din mai multe α –helixuri)

Fig.6 Tipuri de proteine membranare

- pot fi extrase prin tratare cu detergenţi

- sunt implicate în procesele de transport

b) proteine extrinseci (periferice) - pătrund în membrană pe o anumită distanţă,

pe una din cele două feţe, sau sunt ataşate la

suprafaţa membranei (receptorii membranari,

proteine cu rol imunologic etc.)

- pot fi îndepărtate prin spălare ori prin tratare cu

soluţii cu tărie ionică scăzută

- sunt implicate în transmiterea informaţiei în

interiorul celulei

Fluiditatea membranelor plasmatice

La temperatura la care se desfăşoară

procesele biologice, membrana este fluidă,

aşadar, dispunând de o mare libertate, atât

lipidele cât şi proteinele membranare pot

executa diferite mişcări.

Aceste mişcări sunt datorate agitaţiei

termice proprii, precum şi ciocnirilor cu

moleculele cu care vin în contact, ceea ce

permite realizarea reacţiilor enzimatice.

Proteinele pot executa mişcări de translaţie

laterală prin bistrat, precum şi de rotaţie în jurul

unei axe perpendiculare pe bistratul lipidic. Spre

deosebire de lipide care se pot mişca liber în

bistrat, mişcarea proteinelor este mai restrictivă,

fiind condiţionată de interacţiunea cu alte

proteine. În orice moment o fracţiune însemnată

a lipidelor membranare este adiacentă

proteinelor, dar există un permanent schimb

între lipidele limitrofe şi cele din restul stratului

lipidic. Diversele tipuri de lipide au afinitate

diferită faţă de proteine, aşadar vor exista

5


diferenţe între compoziţia generală a

bistratului şi a păturii adiacente a proteinelor.

Fluiditatea membranară depinde de

compoziţia acesteia. Când membranele

plasmatice sunt alcătuite din fosfolipide

nesaturate sunt mult mai permeabile pentru

substanţele liposolubile. Acest lucru poate fi

explicat prin existenţa legăturilor duble ale

catenelor alifatice din fosfolipidele nesaturate,

legături duble care împiedică rotirea catenelor

conducând la imposibilitatea împachetării

strânse a acestor catene. Prin urmare,

interacţia dintre catene este mai slabă şi

fluiditatea membranei creşte. Se poate astfel

explica de ce substanţele lipidice difuzează

mai repede prin membrane mai fluide.

Fluiditatea membranelor biologice depinde şi

de cantitatea de colesterol din membrană.

Structural, colesterolul este situat alături de

capetele polare determinând extinderea

catenelor alifatice în această zonă (Fig. 7).

Fig. 7 Colesterolul în bistraturile lipidice

6

Rigiditatea inelului colesterolului

limitează mişcarea naturală a catenelor

alifatice învecinate, partea dinspre exterior a

moleculei lipidice devenind mai puţin flexibilă,

creşterea concentraţiei de colesterol din

membrană determinând scăderea fluidităţii

membranare. Acest efect al colesterolului are un

anumit rol şi în natură. De exemplu, unele

antibiotice formatoare de canal (Nystatinul, de

exemplu) operează numai în membrane ce

conţin colesterol, probabil că rigiditatea

membranară îndusă de colesterol determină o

stabilitatea mai mare a porilor. Pe de altă parte,

colesterolul descreşte permeabilitatea

biomembranelor pentru moleculele biosolubile

mici, conducând la creşterea stabilităţii

mecanice a bistratului lipidic. S-a constatat că

membrana celulelor cărora le-a fost suprimată

genetic capacitatea de a sintetiza colesterol

sunt foarte fragile din punct de vedere mecanic,

prezenţa colesterolului fiind absolut necesară

supravieţuirii celulor respective.

Funcţiile membranei celulare În primul rând, membrana asigură menţinerea caracteristicilor fizico-chimice diferite ale

celor două compartimente pe care le separă.

Membrana reprezintă o zona de comunicare controlată între cele două compartimente, în

ambele sensuri prin:

1. Transport de substanţă prin membrana intactă (molecule, ioni şi apă) sau prin ruperea membranei urmată de refacerea acesteia

datorită plasticităţii ei excepţionale.

2. Traducere şi transfer de informaţie adusă

de diferiţi stimuli (mecanici, electrici,

electromagnetici, chimici, termici etc.) prin

receptorii specifici pe care membrana îi conţine.


3. Implicare în funcţiile celulare datorită

enzimelor şi complexelor enzimatice pe care

le conţine: replicarea ADN, biosinteza

proteinelor, bioenergetică celulară, răspuns

hormonal.

Transportul de substanţă prin

membrană se face prin macrotransport dacă substanţa transportată este în stare

solidă sau lichidă (formele de macrotransport

fiind fagocitoza şi pinocitoza) şi prin

microtransport care poate fi pasiv sau activ.

Macrotransportul. În procesul de

fagocitoză celula înglobează particule de

substanţă solidă, învăluindu-le anterior cu

nişte prelungiri citoplasmatice numite

pseudopode, prelungiri care fuzionează apoi

în spatele acestor particule.

La protozoare (la amoebe de exemplu)

fagocitoza este procesul prin care celula se

hrăneşte. La celulele mai dezvoltate, acest

mecanism serveşte altor scopuri şi anume:

macrofagele şi leucocitele înghit fragmente

celulare şi intruşi.

Prin pinocitoză, lichidele, dispersate

în picături fine, şi macromoleculele sunt

introduse în celulă sau scoase din aceasta,

după ce în prealabil au fost învelite într-un

bistrat lipidic devenind vezicule. Veziculele

fuzionează cu membrane celulară şi pot fi

transportate dintr-o parte într-alta a

membranei. Expulzarea conţinutului lichid al

veziculei are loc ca efect al forţelor de

tensiune superficială

Formele pinocitozei sunt:

- endocitoza (pătrunderea in interiorul celulei a

veziculei, urmată de expulzarea conţinutului

acesteia).

- transcitoza (vezicula traversează celula, fără

a se sparge, Fig. 8) are loc îndeosebi în

celulele endoteliului capilar, facilitând trecerea

proteinelor plasmatice din sânge către spaţiul

extravascular.

Fig. 8 Transcitoza - exocitoză (expulzarea de către celulă a unei

vezicule care, de exemplu, conţine substanţe pe

care celula este incapabilă de a le utiliza).

Fenomenele de exocitoză sunt frecvente în

terminaţiile nervoase şi în celulele secretorii.

Microtransportul

Prin transport pasiv moleculele şi ionii se

deplasează în sensul gradientului electrochimic

sau de presiune fără consum de energie

metabolică, sistemul având tendinţa de a ajunge

la echilibru termodinamic. Gradientul

electrochimic este o forţă termodinamică

producătoare de flux şi reprezintă rezultatul unor

procese desfăşurate cu consum energetic. În

timpul transportului, moleculele şi ionii utilizează

energia mişcărilor de agitaţie termică şi cea

derivată din atracţia sau respingerea

electrostatică.

7


Un anumit tip de molecule aflate într-o

soluţie înmagazineaza o energie chimică sub

formă de potenţial chimic care se poate

exprima prin relaţia

cc

RT 00 ln+= µµ

unde µ0 reprezintă potenţialul standard

(potenţialul chimic al unui solvit aflat într-o

concentraţie egală cu unitatea, la 25oC), R

este constanta universală a gazelor, iar T

este temperatura termodinamică.

In cazul în care solvitul este un

electrolit disociat, pe langă energia chimică a

ionilor săi există şi energia electrică a

acestora exprimată prin relaţia

νzFE

unde ν este numărul de echivalent-gram de

ioni de un anumit tip, z este valenţa ionilor, F

este numărul lui Faraday (96400 C/eq), V

este potenţialul electric al soluţiei.

Prin urmare, potenţialul electrochimic

al unei specii de ion în soluţie va fi dat de

suma celor două energii prin expresia:

W = ν (µ + zFV)

Considerand că de o parte şi de alta a

membranei celulare avem o anumită specie

ionică în concentraţii c1 = cin, c2 = cex, cu

potenţialele electrice ale soluţiilor V1 = Vin,

V2 = Vex obţinem:

( )exinex

in

exin

VVzFccRT

WWW

−+=

=−=∆

ln

Deosebim două cazuri:

- ∆W > 0 - ionii au tendinţa de a părăsi celula şi

se întâmplă acest fenomen dacă celula este

permeabilă pentru ei.

- ∆W < 0 - ionii au tendinţa de a pătrunde în

celulă, dacă membrana este permeabilă pentru

aceştia.

Transportul pasiv al unei specii ionice

încetează la echilibru, adică în momentul în care

potenţialele electrochimice ale ionului în celulă

şi în afara ei devin egale, adică pentru ∆W = 0:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=−=

erior

exteriorexin c

czFRTVVE

int

ln

ecuaţia Nernst Folosind relaţia lui Nernst se poate

calcula diferenţa de potenţial electric de o parte

şi de alta a membranei a unei specii ionice in

conditiile în care se cunosc concentraţiile

ionului, la echilibru.

Există trei tipuri de transport pasiv: difuzia

simplă, difuzia facilitată şi difuzia prin canale şi

pori.

Difuzia simplă se produce prin

dizolvarea speciei moleculare transportate în

membrană. Datorită structurii membranei de

bistrat lipidic, zona internă fiind hidrofobă, o

particulă, pentru a trece de pe o faţă a

membranei pe cealaltă, trebuie să străbată o

zonă hidrofilă şi să pătrundă în zona hidrofobă.

De aici rezultă ca mecanismele de difuzie sunt

diferite pentru particulele hidrofile (ioni şi

molecule polare) şi particulele hidrofobe

(nepolare), respective particulele hidrosolubile şi

liposolubile.

8


Solubilitatea unei substanţe este

diferită în mediul apos şi în membrană, prin

urmare, difuzia simplă depinde de coeficientul

de permeabilitate al membranei (P – vezi

cursul de sisteme disperse) dar şi de

caracteristicile particulei, adică de coeficientul

de partiţie (β).

Să vedem care sunt particulele care

pot traversa membrana prin difuzie simplă.

Un ion în mediu apos formeaza un sistem

stabil cu acesta datorita interacţiunii cu

moleculele polare de apă, şi de aceea pentru

a-l transporta în mediul dielectric al bistratului

lipidic este nevoie de un lucru mecanic. Prin

urmare, simpla difuzie a ionilor prin bistrat

este improbabilă, trecerea ionilor prin

membrană făcându-se prin mecanisme

specializate care înlătura bariera energetică.

Macroionii nu pot difuza prin

membrana celulară datorită atât sarcinii

electrice cât şi dimensiunii mari, acest lucru

având o importanţă deosebită în stabilirea

diferenţei de potenţial dintre feţele

membranei.

Moleculele hidrofobe pot traversa

membrana, permeabilitatea membranei

pentru acestea fiind cu atât mai mare cu cât

dimensiunea particulei este mai mică,

deoarece bistratul lipidic are o structura

destul de compactă.

În concluzie, numai moleculele mici

nepolare, moleculele hidrofobe şi gazele pot

traversa membrana prin difuzie simplă.

Difuzia facilitată. Moleculele hidrofile

mari, cum sunt mulţi factori nutritivi necesari

celulei, precum şi unii ioni traversează

membrana prin difuzie facilitată.

În acest caz se utilizează molecule

transportoare existente în membrană sau

introduse artificial în aceasta. Asemenea

molecule transportoare au o anumită

specificitate, recunoscând specia moleculară

sau ionică pe care o transportă. Există

transportori pentru glucoză, colină, pentru diferiţi

ioni (în acest caz transportorul se numeşte

ionofor).

Fig. 9 Exemplu de difuzie facilitată: difuzia

facilitata a gucozei (dupa Baldwin & Lienhard, Trends

Biochem. Sci. 6:210, 1981)

Transportorii pot distinge speciile levogire

de cele dextrogire. Ei acţionează în sensul

gradientului electrochimic.

9

Molecula transportoare, cu rol enzimatic,

se poate găsi în două stări conformaţionale. În

Fig. 9 este figurat transportul facilitat al


10

moleculei de glucoză. Se poate observa cum

molecula de glucoza, numită substrat în

aecastă situaţie, se leagă pe una din feţele

membranei într-un anumit loc de legare numit

situs. Se produce în urma legării o modificare

conformaţională şi situsul de legare este

expus părţii opuse, simultan cu scăderea

afinităţii transportorului pentru glucoză şi

eliberarea acestei molecule de partea

cealaltă a membranei. Prin eliberare se

revine la conformaţia iniţială şi ciclul se

repetă.

Substanţele ionizate nefiind

liposolubile, difuzia lor prin membrană se

poate face prin structuri proteice specializate

care strabat membrana pe toată grosimea ei

şi creează căi de trecere pentru ioni, formând

canale sau pori. Noţiunea de por este

folosită pentru structurile neselective, făcând

o discriminare doar pe baza diametrului

particulei. Cu precădere, prin pori trece apa,

caz în care aceştia se numesc porine. Ionii au

în jurul lor o zona de hidratare, din care

cauză au diametrul prea mare pentru pori.

Canalele ionice sunt proteine

specializate care străbat membrana lipidică

celulară, constituind căi de trecere pentru

substanţele neliposolubile. Prin canale ionii

pot să treacă în ambele sensuri, dar

transportul are loc în sensul gradientului

electrochimic. Spre deosebire de pori,

canalele ionice sunt structuri selective.

Eficacitatea transportului prin canale este

foarte mare, printr-un singur canal putând

trece 106-108 ioni/s.

În Fig. 10 este reprezentată schematic

structura unui canal ionic. Filtrul recunoaşte un

anumit tip de ion şi îl lasă să treacă în vestibulul.

Senzorul primeşte informaţia din exterior, fie din

partea unei molecule receptoare, fie direct de la

un semnal electric (acesta este cazul canalului

din Fig. 10), şi, dacă informaţia este

corespunzătoare, comandă deschiderea porţii

permiţând ionului să intre sau să iasă din celulă,

împins de potenţialul său electro-chimic.

Canalul poate fi închis sau deschis printr-

o modificare conformaţională a proteinei canal

comandată printr-un mecanism specific electric,

chimic sau prin alte mecanisme.

Fiecare tip de canal poate fi blocat

specific de anumite toxine: tetrodotoxina inhibă

funcţionarea canalului de Na+ din membrana

axonală, tetraetilamoniul blochează canalul de

K+). Blocanţii specifici permit studierea

proprietăţilor canalelor sau identificarea

proteinelor canal.

Canalul ionic este caracterizat de un

parametru electric numit conductanţă G, care

reprezintă inversul rezistenţei electrice R.

Unitatea de măsură a conductanţei este 1

Siemens (S). Din punct de vedere biologic,

conductanţa canalului reprezintă echivalentul

electric al permeabilităţii acesteia pentru un

anumit tip de ion. Se poate aprecia conductanţa

unei porţiuni de membrană ca fiind dată de

produsul dintre conductanţa unui canal izolat şi

densitatea canalelor deschise, deoarece

conductanţa canalului deschis este constantă.

Ordinul de mărime al conductanţei unui canal

ionic este pS (1 picoSiemens = 10-12 S).


Fig. 10 Reprezentarea schematică a canalului

membranar

Există substanţe care formează în jurul

ionului o structură hidrofobă, permiţându-i

acestuia difuzia prin bistrat. O astfel de

substanţă care, inclusă în membrana

celulară, permite translocarea ionilor de pe o

faţă pe cealaltă se numeşte ionofor. Ionoforii pot forma canale prin membrană sau

pot acţiona ca nişte molecule transportoare.

De exemplu, valinomicina este un ionofor

care poate încorpora ionii de K+, forţându-i să

părăsească prin membrană celula bacteriană,

provocând moartea acesteia, acţionând astfel

ca un antibiotic.

Fig. 11 Valinomicina este un ionofor care face ca ionii

de K+ să iasă din celula bacteriană, provocându-i

moartea

Din studiul comparativ al transportului pasiv

prin difuzie facilitată şi al transportului prin

canale rezultă următoarele:

- moleculele transportoare au o specificitate mai

mare pentru moleculele sau ionii transportaţi

decât canalele, moleculele transportoare putând

distinge între diferiţii izomeri ai unei molecule

- moleculele transportoare au o viteză mult mai

mică de lucru decât a canalelor ionice,

permiţând trecerea doar a 1000 de ioni pe

secundă, acest lucru fiind compensat de

numărul lor foarte mare

- transportorii pot participa şi la transportul activ

- canalele au o foarte mare viteză de lucru, până

la 10 milioane de ioni pe secundă motiv pentru

care canalele sunt căile preferate pentru

transportul ionilor atunci când sunt necesare

variaţii bruşte ale compoziţiei şi concentraţiei

ionice (în excitaţia celulară, de exemplu).

Fig. 12 Comportamentul diferitelor tipuri de molecule în

apropierea membranei lipidice

În concluzie, membrana celulară poate fi

traversată prin transport pasiv de moleculele

mici hidrofobe prin difuzie simplă, de ioni prin

11


canale şi difuzie facilitată şi de moleculele

hidrofile mari prin difuzie facilitată (Fig. 12).

12

Fig. 13 Difuzia apei printr-un por

Transportul apei care intervine esenţial

în toate procesele biologice se realizează atât

prin difuzie simplă şi osmoză cât şi prin

canale (pori apoşi (Fig. 13)), permeabilitatea

membranei pentru apă fiind foarte mare.

Mecanismele de transport al apei sunt foarte

complexe şi incomplet elucidate, un rol foarte

important avându-l diferenţa de presiune

osmotică.

Transportul activ este o formă de

transport care necesită energie metabolică

(cuplare energetică imediată). Se realizează

în sensul invers gradientului de potenţial

electrochimic. Se disting două forme de

transport activ: transportul activ primar şi

transportul activ secundar.

Transportul activ primar se

realizează folosind proteine integrale numite

pompe ionice membranare. In urma

transportului activ se stabileşte gradientul de

concentraţie în sensul căruia se desfăşoară

transportul pasiv. Pompa leagă ionul pe o parte

a membranei într-o anumită zonă activă numită

situs de legare şi, datorită unor modificări

conformaţionale care intervin în urma legării

ionului, îl transferă pe cealaltă parte unde îl

eliberează. Pompa foloseşte, de obicei, hidroliza

ATP în ADP şi P, motiv pentru care se mai

numesc şi ATP-aze.

Exemplul cel mai cunoscut este ATP-aza

Na+/K+ care translocă 3 ioni de Na + din

interiorul celulei, unde concentraţia acestuia

este mică, spre mediul extracelular şi 2 ioni de

K+ din exteriorul celulei în interiorul acesteia

(Fig. 14).

Fig. 14 Pompa Na/K

Deoarece rezultatul unui ciclu este un

transfer net de sarcină pozitivă în exteriorul

celulei, spunem că pompa este electrogenică.

De asemenea, pompa de Na+/K+ asigură prin

funcţionarea ei osmolaritatea egală pe ambele

feţe ale membranei.


Fig.15 Schema Albert – Post a etapelor funcţionării ATP-azei Na+/K+

În Fig. 15 este reprezentată

succesiunea etapelor ATP-azei de Na+/K+.

Aceasta este schema Albert – Post şi are

următoarele etape:

1. enzima ia Na+ pe partea citoplasmatică şi

leagă ATP – aceatsă legare este posibilă

numai în prezenţa ionilor Mg++

2. ATP este hidrolizat, complexul fosforilat

suferă o tranziţie conformaţională, urmată de

scăderea afinităţii pentru Na+ şi creşterea

afinităţii pentru K+

3. ionii de Na+ se desprind şi se leagă ionii de

K+

4. legarea ionilor de K+ determină

defosforilarea

5. în urma defosforilării, proteina pierde

afinitatea pentru K+, aceştia desprinzându-se

6. enzima revine la conformaţia iniţială şi ciclul

se reia.

Există şi alte pompe în membrana

celulară, cum ar fi:

- pompa de H+, K+ din mucoasa gastrică (din

membrana plasmatică a celulelor parietale)

(Fig. 16), tot o ATP-ază a cărei structură este

asemănătoare cu cea a Na-K-ATP-azei.

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

Această pompă se găseşte în veziculele

intracelulare. În urma unui semnal hormonal,

veziculele fuzionează cu membrana, în care se

inserează pompele. Se pot obţine diferenţe de

pH de 6,6, corespunzătoare unui raport de

concentraţie a protonilor de 4.106.

13

- pompa de Ca++ din reticulul sarcoplasmic şi

din membrana plasmatică


Fig. 17 Mecanismul prin care se menţine un pH scăzut

în lumenul stomacal

- pompa protonică bacteriorodopsina (Fig. 18)

care, sub acţiunea luminii, pompează protoni

din interiorul în exteriorul celulei.

Fig. 18 Bacteriorodopsina pompează protoni împotriva

gradientului lor electrochimic, sub acţiunea luminii

Prin transport activ secundar speciile

transportate pătrund într-un compartiment

(extracelular sau intracelular) împotriva

gradientului lor electrochimic, asociindu-se cu

molecule care se deplasează în sensul

gradientului de concentraţie. Specia

transportată cât şi molecula care efectuează

transport pasiv se leagă de aceeaşi moleculă

transportoare.

Transportul activ secundar utilizează

transportorii întâlniţi la difuzia facilitată, aceştia

putând lega substratele transportate în aceeaşi

stare conformaţională sau în stări

conformaţionale diferite (Fig. 19). Dacă ambele

specii moleculare transportate se leagă de

aceeaşi parte a proteinei, transportul poartă

denumirea de simport sau co-transport, iar

transportorul îşi poate modifica starea

conformaţională doar după ce ambele

substrate au ajuns în situsurile de legare.

Cazul în care speciile transportate se leagă pe

cele două părţi ale transportorului, care se va

afla astfel în stări conformaţionale diferite, se

numeşte antiport sau contra-transport.

Fig. 19 Comparaţie între formele de transport activ:

primar şi secundar

Întâlnim simport la pătrunderea glucozei

în celulele mucoasei intestinale; ea se

asociază cu Na+ care intră pasiv. Ionii de Na+

sunt eliminaţi activ prin transport primar, prin

ATP-aza de Na+/K+, iar glucoza rămâne.

Şi în acest caz, avem de-a face cu un

transport electrogenic deoarece rezultatul net

constă în transportul unei sarcini pozitive dintr-

o parte a membranei în cealaltă.

14


Fig. 20 Simportul glucoza – Na+ din celulele mucoasei

intestinale

Un exemplu de antiport este cel de

3Na+/Ca2+, de la nivelul muşchiului cardiac,

care asigură o concentraţie scăzută a ionilor

de calciu în interiorul celulei.

Energia pe care o foloseşte antiportul

este furnizată de transportul activ al ionilor de

sodiu din mediul extracelular către interiorul

celulei.

Fig. 20 Antiportul de 3Na+/Ca2+ menţine scăzută

concentraţia ionilor de calciu în interiorul celulelor

Transportul este electrogenic, deoarece

avem sarcină netă (+1) translocată prin

membrana celulară.

Traducerea şi transferul de informaţie prin membrana celulară

Pentru a menţine parametrii

termodinamici în limite fiziologice şi pentru a

depărta sistemele biologice de stările de

echilibru termodinamic este nevoie ca între

diferitele compartimente ale unui organism viu

să existe transfer de informaţie.

Receptorii membranari din membrana

plasmatică celulară sunt proteine intrinseci cu

funcţie enzimatică care au capacitatea de a

recunoaşte o moleculă semnal din mediul

extracelular, numită mesager prim, şi de a

interacţiona cu ea rapid şi reversibil. Molecula

purtătoare de informaţie se numeşte ligand

specific şi se poate lega de un anumit tip de

receptor. În mod obişnuit, moleculele semnal

nu pătrund în interiorul celulei, rolul lor fiind

doar de a transmite prin diferite mecanisme

membranare informaţia pe care o poartă.

Mesagerii primi pot fi molecule dar şi

factori fizico-chimici. Printre moleculele cu rol

de mesager prim se întâlnesc: mediatorii

chimici, hormonii polipeptidici, factori de

creştere, antigenii, medicamentele, drogurile.

În urma interacţiei, celula poate sintetiza

o altă moleculă semnal numită mesager secund care declanşează răspunsul celular

specific. Mesagerul secund poate fi, uneori,

chiar complexul receptor – mesager prim.

Mesageri secunzi frecvent întâlniţi sunt:

acidul adenozin monofosforic ciclic

(c-AMP), acidul guanozin monofosforic ciclic

(c-GMP), diacil glicerolul (DAG), inozitol

trifosfatul (InosP3).

15


Procesele care au loc la nivel celular

sunt următoarele (Fig. 21): de îndată ce

ligandul s-a fixat de receptor, informaţia este

transmisă la nivelul membranei, acest lucru

survenind de obicei, în urma modificării

conformaţiei receptorului; în urma acestui

proces se declanşează o cascadă de reacţii în

interiorul celulei având ca urmare o modificare

a activităţii celulare la nivelul metabolismului

sau la nivelul expresiei genelor; informaţia se

transmite şi de-a lungul membranei celulare,

prin semnale electrice sub forma de potenţiale

locale şi de tip tot – sau – nimic.

Fig. 21 Calea de transducţie a unui semnal

De exemplu, membrana plasmatică a

axonilor celulelor nervoase este capabilă să

conducă pe distanţe lungi informaţia sub forma

unui curent electric transmembranar care se

propagă de la corpul celular la extremităţile

sinaptice.

16

transport membranar

Documents