Fenomene de transport prin membrana celulară

Structura membranei celulare.

Membrana (7,5 nm) - ansamblu de structuri supramoleculare aflat la periferia celulei

(sau a organitelor celulare) care separă mediul intern de cel extern (celular de

interstiţial) şi care îndeplineste diferite funcţii legate în special de procese metabolice

fundamentale. Membranele vii au proprietăţile de semipermeabilitate şi selectivitate.

Datorită acestor proprietăţi ele nu reprezintă simple bariere care separă 2 medii cu

proprietăţi diferite, ci structuri active care asigură:

- transportul unor molecule, ioni, macromolecule, complexe supramoleculare, dintr-o

parte în alta a ei;

- traducere şi transfer de informaţie adusă de diferiţi stimuli (mecanici, electrici,

electromagnetici, chimici, termici etc.) prin receptorii specifici pe care îi conţine;

- interconversia diferitelor forme de energie, prin enzimele sau complexele enzimatice

pe care le conţine.

Actualmente se acceptă că, în general, structura membranei celulare este cea descrisă

de modelul mozaicului fluid proteolipidic al lui Nicholson şi Singer (1972). Conform

acesui model, membrana este formată dintr-un bistrat lipidic, în care sunt înserate

proteine şi glicoproteine (fig.)

Bistratul lipidic este constituit în special din fosfolipide (fosfatidilcolina, fosfatidilserina, fosfatidilinositol etc.) dar sunt prezente şi sfingolipide, glicolipide şi colesterol.

Lipidele membranare sunt:- Fosfogliceride (fosfolipide)(compuse din acizi graşi, glicerol, fosfat, alcool)(au un cap polar şi

două cozi hidrofobe) – reprezintă constituentul major al bistratului lipidic membranar Capetele polare pot fi : acid fosfatidic- PA, fosfatidilglicerol – PG, fosfatidiletanolamina – PE, fosfatidilcolina - PC, fosfatidilserina – PS, fosfatidilinositol – PI.

- Sfingolipide (glicosfingolipide – GS-capul polar conţine zaharuri, sfingomieline- SM- au capete polare fosforilcolina sau fosfoetanolamine)) (sfingozina – înlocuieşte glicerolul şi un lanţ hidrofob din cazul fosfogliceridelor)

- Colesterol

- GlicolipideInsule de colesterol cu sfingilipide formează faze separate – rafturi lipdice- mai ordonate, conţin proteine transmembranare şi proteine periferice pe partea extracelulară. Se află pe monostratul extracelular.

Moleculele lipidice sunt amfifile. Ele au un cap polar (extremitate polară) şi o

extremitate hidrofobă (două lanţuri de hidrocarburi - cozi hidrofobe). Moleculele de

acest tip se organizează spontan, pe baza principiului de minimizare a energiei

potenţiale, astfel încât cozile lor hidrofobe să evite contactul cu apa. Ele realizează:

-structuri micelare

- bistraturi (vezicule membranare sau membrane plane)(fig.)

În acest fel, între cozile hidrofobe iau naştere legături hidrofobe, iar capetele polare

sunt expuse mediului apos. Bistratul lipidic este o structură dinamică, prezentând

fluiditate: moleculele lipidice execută mişcări de translaţie şi rotaţie. De exemplu:

-translaţie în stratul în care se află (difuzie laterală)

- rotaţie în jurul propriei axe

- basculare dintr-un monostrat în celălalt

- flexie (îndoire) (fig.)

Proteinele membranare, în funcţie de modul în care se înserează în membrane sunt:

a) - proteine intrinseci (integrale) - traversează membrana celulară o dată (glicoforina)

sau de mai multe ori (exemplu - proteinele transportoare, pompe ionice constituite

din mai multe -helixuri, enzime, receptori, canale ionice)

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.). Ele pot participa la reacţii enzimatice şi

semnalizare celulară, intră în componenţa scheletului membranar de la suprafaţa

citoplasmatică a celulei, asigură legătura cu citoscheletul). Membrana celulară se

sprijină pe un citoschelet alcătuit din proteine fibrilare.

De exemplu, în cazul hematiei (fig), două proteine Banda 3 (transportor de

anioni) şi glicoforina ancorează o reţea bidimensională de proteine fibrilare,

componenta principală fiind spectrina. Ankirina se leagă atât la spectrină cât şi la

Banda 3. Filamente scurte de actină cu proteinele asociate formează noduri care

interconectează reţeaua de spectrină. Asigură elasticitatea membranei plasmatice a

hematiei.

Şi proteinele prezintă mişcări de difuzie laterală şi rotaţie, într-un mod mai restrictiv

(depinzând de interacţiunile cu alte proteine). Unele dintre aceste mişcări sunt

orientate dar în acest caz intervin proteine motoare.

2. Transportul pasiv - deplasarea moleculelor şi ionilor în sensul gradientului

electrochimic sau de presiune - aparent fără consum de energie metabolică. Aparent,

deoarece gradientul electrochimic respectiv este rezultatul unor procese anterioare

realizate cu consum de energie.

Prin transport pasiv sistemul are tendinţa de a ajunge la echilibru

termodinamic. Dacă în expresia diferenţei de potenţial electrochimic notăm:

c1 = cin c2 = cex V1 = Vin V2 = Vex obţinem:

W = Win - Wex = RT ln cin/cex + zF (Vin - Vex)

W > 0 - ionii au tendinţa de a părăsi celula;

W < 0 - ionii au tendinţa de a pătrunde în celulă, dacă membrana este permeabilă

pentru aceştia. Transportul unei specii ionice încetează la echilibru W = 0:

E = Vin - Vex = (RT/zF) ln cex/cin - ecuaţia Nernst

Modalităţi de transport pasiv ;

- Difuzia simplă

- Difuzia facilitată

- Difuzia prin canale şi pori

Difuzia simplă se produce prin dizolvarea speciei moleculare transportate în

membrană şi depinde de raportul dintre solubilitatea substanţei respective în bistratul

lipidic şi solubilitatea ei în apă, deci de coeficientul de partiţie . Cum s-a arătat,

conform legii lui Fick, în cazul membranelor coeficientul de permeabilitate P este P =

D/

Difuzia facilitată - se face prin utilizarea unor 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). Transportorii pot distinge speciile levogire de cele

dextrogire. Ei acţionează în sensul gradientului electrochimic. Mecanismul de

transport se bazează pe proprietatea transportorului de a se putea găsi în două stari

conformaţionale T1 şi T2. (fig.)

Molecula transportată (substratul S) se leagă pe una din feţele membranei. Se produce

în urma legării o modificare conformaţională în starea T2 şi situsul de legare este

expus părţii opuse (diagrama) cu scăderea afinităţii pentru specia respectivă şi

eliberarea acesteia. Prin eliberare se revine la conformaţia iniţială şi ciclul se repetă.

Procesul se desfăşoară conform cineticii Michaelis-Menten pentru reacţiile

enzimatice. Un exemplu de ionofor este antibioticul valinomicină, moleculă hidrofobă

care poate încorpora ionii de K+, translocându-i prin membrană (şi Rb, mai slab).

Valinomicina face ca ionii de K+ să iasă din celula bacteriană, provocându-i moartea.

Nigericina (K+, H+, schimb neutru).

Difuzia prin canale ionice şi pori. Canalele ionice sunt proteine specializate care

străbat bistratul şi permit trecerea unor substanţe care nu sunt liposolubile. Permit

trecerea ionilor în ambele sensuri şi sunt selective. Pori - structuri neselective,

contează doar diametrul particulei. Specia transportată se leagă de proteina canal,

formând un complex enzimă- substrat care evoluează pe baza cineticii Michaelis-

Menten. Pentru ca ionul să treacă dintr-o parte în cealaltă este necesar ca un canal să

fie deschis. Componentele unui canal ionic sunt (fig.): filtrul de selectivitate F,

vestibulul V, senzorul S, poartă P, inactivator I. Canalele ionice prezintă o mare

specificitate, filtrul nu lasă să treacă decât anumite specii.

Deschiderea şi închiderea canalului sunt rezultatul unei modificări conformaţionale

care este comandată printr-un mecanism specific. Acesta poate fi ;

- electric - modificarea potenţialului membranar (canalele de Na+, K+ în membrana

axonală);

- chimic (acetilcolina, canalul de Na+, Ca++ controlat de GMPc în membrana celulelor

fotoreceptoare);

- alte mecanisme (presiune –mecanic, ex. canalul de K+ de la polul apical al

stereocililor celulelor ciliate din organul lui Corti).

Când canalul este deschis are loc trecere pasivă a ionilor. Aceasta se poate

face în ambele sensuri, dar este predominantă în sensul gradientului electrochimic.

Canalele pot fi inhibate cu blocanţi specifici – ex. toxine (tetrodotoxina – canalul de

Na+). Asemenea experienţe de inhibiţie permit studierea proprietăţilor canalelor.

Deosebiri între cele două tipuri de difuzie (facilitată, canale):

- transportorii - specificitate mai mare (disting între L şi D)(mii ioni/s);

- canalele - viteza mult mai mare (milioane - sute de milioane de ioni/s, sunt mai

adecvate pentru modificări bruşte;

- transportorii sunt în număr mult mai mare;

- transportorii pot participa la transportul activ secundar.

Transportul activ - formă de transport care necesită energie metabolică - cuplare

energetică imediată. Poate fi transport activ primar şi transport activ secundar.

Transportul activ primar.

Se realizează cu ajutorul pompelor ionice membranare, structuri proteice

transportoare din clasa proteinelor integrale. O pompă ionică este caracterizată prin

prezenţa unui centru activ cu acces alternativ spre partea extracelulară şi spre cea

citoplasmatică. Accesul este modificat ca urmare a unei tranziţii conformaţionale.