Fenomene de transport prin membrana celulara

Fenomene de transport prin membrana celulara

1. Structura membranei celulare

2. Clasificarea modalitatilor de transport membranar

3. Transportul pasiv

Difuzie

Difuzie facilitata

Difuzia prin canale ionice si pori

4. Transportul activ

Transportul activ primar

Transportul activ secundar

Structura membranei celulare

Membrana (7,5 nm) este un ansamblu de structuri supramoleculare aflat la periferia celulei (figura) (sau a organitelor celulare) care separa mediul intern de cel extern (celular de interstitial) si care indeplineste diferite functii legate in special de procese metabolice fundamentale. Membranele vii au proprietatile de semipermeabilitate si selectivitate. Datorita acestor proprietati ele nu reprezinta simple bariere care separa 2 medii cu proprietati diferite, ci structuri active care asigura:

- transportul unor molecule, ioni, macromolecule, complexe supramoleculare, dintr-o parte in alta a ei;

- traducere si transfer de informatie adusa de diferiti stimuli (mecanici, electrici, electromagnetici, chimici, termici etc.) prin receptorii specifici pe care ii contine;

- interconversia diferitelor forme de energie, prin enzimele sau complexele enzimatice pe care le contine.

Actualmente se accepta ca, in general, structura membranei celulare este cea descrisa de modelul mozaicului fluid proteolipidic al lui Nicholson si Singer (1972). Conform acesui model, membrana este formata dintr-un bistrat lipidic, in care sunt inserate proteine si glicoproteine (figura)

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

Moleculele lipidice sunt amfifile (amfotere). Ele au un cap polar (extremitate polara) si o extremitate hidrofoba (doua lanturi de hidrocarburi - cozi hidrofobe). Moleculele de acest tip se organizeaza spontan, pe baza principiului de minimizare a energiei potentiale, astfel incat cozile lor hidrofobe sa evite contactul cu apa. Ele realizeaza:

-structuri micelare

- bistraturi (vezicule membranare sau membrane plane)(figura)

In acest fel, intre cozile hidrofobe iau nastere legaturi hidrofobe, iar capetele polare sunt expuse mediului apos. Bistratul lipidic este o structura dinamica, prezentand fluiditate: moleculele lipidice executa miscari de translatie si rotatie. De exemplu:

-translatie in stratul in care se afla (difuzie laterala)

- rotatie in jurul propriei axe

- basculare dintr-un monostrat in celalalt

- flexie (indoire) (figura)

Proteinele membranare, in functie de modul in care se insereaza in membrane sunt:

a) - proteine intrinseci (integrale) - traverseaza membrana celulara o data (glicoforina) sau de mai multe ori (exemplu - proteinele transportoare, pompe ionice constituite din mai multe a -helixuri)

b) - proteine extrinseci (periferice) - patrund in membrana pe o anumita distanta, pe una din cele doua fete, sau sunt atasate la suprafata membranei (receptorii membranari, proteine cu rol imunologic etc.)

Si proteinele prezinta miscari de difuzie laterala si rotatie, intr-un mod mai restrictiv (depinzand de interactiunile cu alte proteine).

Membrana se sprijina pe un citoschelet alcatuit din proteine fibrilare (spectrina, anchirina si actina fibrilara - in hematii).

Membrane artificiale (model) - permit studiul unor procese membranare. Sunt lipozomii si bistratele lipidice (BLM) (figura, figura).

Clasificarea modalitatilor de transport membranar

1. Macrotransport (endocitoza, transcitoza, exocitoza):

- fagocitoza

- pinocitoza

2. Microtransport

- pasiv

- activ

Fagocitoza - proces in care celula inglobeaza particule de substanta solida, invelite in pseudopode (prelungiri citoplasmatice) care fuzioneaza in spatele lor.

Pinocitoza - invelirea picaturilor de lichid si macromoleculelor intr-un bistrat lipidic si formarea de vezicule care fuzioneaza cu membrana celulara si prin aceasta pot fi transportate dintr-o parte in cealalta a membranei.

Exemple: - in terminatiile nervoase si celulele secretorii (exocitoza)(acetilcolina)

- trecerea proteinelor plasmatice din sange in spatiul extravascular - transcitoza prin endoteliul capilar.

Transportul pasiv

Transportul pasiv este reprezentat de catre deplasarea moleculelor si ionilor in sensul gradientului electrochimic sau de presiune - aparent fara consum de energie metabolica. Aparent, deoarece gradientul electrochimic respectiv este rezultatul unor procese anterioare realizate cu consum de energie.

Prin transport pasiv sistemul are tendinta de a ajunge la echilibru termodinamic. Daca in expresia diferentei de potential electrochimic notam:

c₁ = c_in, c₂ = c_ex, V₁ = V_in, V₂ = V_ex obtinem:

DW = W_in - W_ex = RT ln c_in/c_ex + zF (V_in - V_ex)

Daca DW > 0 - ionii au tendinta de a parasi celula.

Daca DW < 0 - ionii au tendinta de a patrunde in celula, daca membrana este permeabila pentru acestia. Transportul unei specii ionice inceteaza la echilibru, cand DW = 0:

E = V_in - V_ex = (RT/zF) ln c_ex/c_in - ecuatia Nernst

Difuzia simpla

Difuzia simpla se produce prin dizolvarea speciei moleculare transportate in membrana (figura) si depinde de raportul dintre solubilitatea substantei respective in bistratul lipidic si solubilitatea ei in apa, deci de coeficientul de partitie b. Cum s-a aratat, conform legii lui Fick, in cazul membranelor coeficientul de permeabilitate P este P = bD/d

Difuzia facilitata

In acest caz se face prin utilizarea unor molecule transportoare existente in membrana sau introduse artificial in aceasta. Asemenea molecule transportoare au o anumita specificitate, recunoscand specia moleculara sau ionica pe care o transporta. Exista transportori pentru glucoza, colina, pentru diferiti ioni (in acest caz transportorul se numeste ionofor). Transportorii pot distinge speciile levogire de cele dextrogire. Ei actioneaza in sensul gradientului electrochimic. Mecanismul de transport se bazeaza pe proprietatea transportorului de a se putea gasi in doua stari conformationale T₁ si T₂ (figura).

Molecula transportata (substratul S) se leaga pe una din fetele membranei. Se produce in urma legarii o modificare conformationala in starea T₂ si situsul de legare este expus partii opuse (diagrama) cu scaderea afinitatii pentru specia respectiva si eliberarea acesteia. Prin eliberare se revine la conformatia initiala si ciclul se repeta. Procesul se desfasoara conform cineticii Michaelis-Menten pentru reactiile enzimatice. Un exemplu de ionofor este antibioticul valinomicina, molecula hidrofoba care poate incorpora ionii de K⁺, translocandu-i prin membrana (si Rb, mai slab). Valinomicina face ca ionii de K⁺ sa iasa din celula bacteriana, provocandu-i moartea. Un alt ionofor este nigericina care permite un schimb neutru K⁺, H⁺.

Difuzia prin canale ionice si pori

Canalele ionice sunt proteine specializate care strabat bistratul si permit trecerea unor substante care nu sunt liposolubile. Permit trecerea ionilor in ambele sensuri si sunt selective. Porii sunt structuri neselective, conteaza doar diametrul particulei. Specia transportata se leaga de proteina canal, formand un complex enzima-substrat care evolueaza pe baza cineticii Michaelis-Menten. Pentru ca ionul sa treaca dintr-o parte in cealalta este necesar ca un canal sa fie deschis.

Deschiderea si inchiderea canalului sunt rezultatul unei modificari conformationale care este comandata printr-un mecanism specific. Acesta poate fi ;

- electric - modificarea potentialului membranar (ex. canalele de Na⁺, K⁺ in membrana axonala);

- chimic (ex. acetilcolina, canalul de Na⁺, Ca⁺⁺ controlat de GMPc in membrana celulelor fotoreceptoare);

- alte mecanisme (presiune -mecanic).

Cand canalul este deschis are loc o trecere pasiva, preponderent in sensul gradientului electrochimic. Transportul prin canale poate fi inhibat cu ajutorul unor blocanti specifici cum ar fi unele toxine (tetrodotoxina inhiba functionarea canalului de Na⁺ din membrana axonala). Asemenea blocanti permit studierea proprietatilor canalelor.

Deosebiri intre cele doua tipuri de difuzie (facilitata, canale):

- transportorii - au o specificitate mai mare (pot distinge intre speciile levogire si dextrogire). Pot transporta mii de ioni/s.

- canalele - au o viteza mult mai mare de transport al ionilor (milioane sau chiar sute de milioane de ioni/s), de aceea sunt mai adecvate pentru modificari bruste;

- transportorii sunt in numar mult mai mare;

- transportorii pot participa la transportul activ secundar.

Transportul activ

Transportul activ este o forma de transport care necesita energie metabolica - cuplare energetica imediata. Se realizeaza in sensul invers gradientului de potential electrochimic. Se disting doua forme de transport activ: transportul activ primar si transportul activ secundar.

Transportul activ primar

Transportul activ primar se realizeaza cu ajutorul pompelor ionice membranare, structuri proteice transportoare din clasa proteinelor integrale. O pompa ionica este caracterizata prin prezenta unui centru activ cu acces alternativ spre partea extracelulara si spre cea citoplasmatica. Accesul este modificat ca urmare a unei tranzitii conformationale. Cea mai cunoscuta pompa ionica este Na⁺,K⁺- ATP-aza. Este alcatuita din patru subunitati proteice (2 subunitati a si 2 subunitati b); subunitatea a are activitate ATP-azica. Hidroliza ATP furnizeaza energia care permite translocarea a 3 ioni de Na in exteriorul celulei si a doi ioni de K in interior. Este o pompa electrogenica intrucat are ca rezultat un transfer net de o sarcina pozitiva per ciclu in exteriorul celulei.

Conform schemei Albers-Post, in esenta mecanismul de transport este (schema) urmatorul:

Enzima in conformatia E₁ ia Na⁺ pe partea citoplasmatica si leaga ATP (in prezenta Mg⁺⁺). ATP este hidrolizat, complexul fosforilat sufera o tranzitie conformationala E₁ - E₂ in urma careia scade afinitatea pentru Na⁺, creste pentru K⁺, acesta se ataseaza, defosforilare, pierde afinitatea pentru K⁺, enzima trece in E₁.

Alte exemple de pompe ionice sunt pompa de H⁺, K⁺ din mucoasa gastrica si pompa de Ca⁺⁺ din reticulul sarcoplasmic.

Transportul activ secundar

Transportul activ secundar consta din patrunderea speciilor transportate intr-un compartiment (extracelular sau intracelular) impotriva gradientului lor electrochimic, prin asocierea cu molecule care se deplaseaza normal conform propriului lor gradient de concentratie. Gradientul este insa mentinut prin transport activ primar. Transportorul intalnit in difuzia facilitata poate lega cele doua molecule fie in aceeasi stare conformationala (pe aceeasi parte) - simport sau co-transport, fie pe cele doua parti, in stari conformationale diferite - antiport (contra-transport).

In simport - enzima leaga pe aceeasi parte, in conformatia T₁, ambele specii si sufera tranzitia T₁ - T₂ numai dupa legarea ambelor.

Exemplu: glucoza in celulele mucoasei intestinale se asociaza cu Na⁺ care intra pasiv. Ionii de Na⁺ sunt eliminati activ prin transport primar, prin hidroliza ATP., iar glucoza ramane. Transportul este electrogenic deoarece are ca rezultat net transportul dintr-o parte a membranei in cealalta a unei sarcini pozitive.

In antiport proteina transportoare leaga in starea T₂ un alt ion decat cel care sufera difuzia facilitata, care va fi evacuat in compartimentul in care potentialul lui electrochimic este mai mare. Exemplu: muschiul cardiac - antiport 3 Na⁺/ 1 Ca⁺⁺ - electrogenic (sarcina neta +1). Asigura concentratia scazuta a Ca⁺⁺ in interior pe seama pomparii active a Na⁺.