Transport Membranar
-
Upload
dumitrascu-cristina -
Category
Documents
-
view
221 -
download
6
Transcript of 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
Fizică medicală – Fenomene de transport prin membrana celulară
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
Fizică medicală – Fenomene de transport prin membrana celulară
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
Fizică medicală – Fenomene de transport prin membrana celulară
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
Fizică medicală – Fenomene de transport prin membrana celulară
- 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
Fizică medicală – Fenomene de transport prin membrana celulară
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.
Fizică medicală – Fenomene de transport prin membrana celulară
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
Fizică medicală – Fenomene de transport prin membrana celulară
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
Fizică medicală – Fenomene de transport prin membrana celulară
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
Fizică medicală – Fenomene de transport prin membrana celulară
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).
Fizică medicală – Fenomene de transport prin membrana celulară
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
Fizică medicală – Fenomene de transport prin membrana celulară
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.
Fizică medicală – Fenomene de transport prin membrana celulară
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
Fizică medicală – Fenomene de transport prin membrana celulară
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
Fizică medicală – Fenomene de transport prin membrana celulară
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
Fizică medicală – Fenomene de transport prin membrana celulară
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