Fenomene de transport prin membrana celulara

Fenomene de transport prin membrana celulara

Structura membranei celulare

Membrana (7,5 nm) - ansamblu de structuri supramoleculare aflat la periferia celulei (sau a organitelor celulare) care separa mediul intern de cel extern (celular de interstitial) si care îndeplineste diferite functii legate în 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 în alta a ei;

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

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

Actualmente se accepta ca, în 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, în care sunt înserate proteine si glicoproteine (fig.)

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

Lipidele membranare sunt:

-structuri micelare

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

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

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

- rotatie în jurul propriei axe

- basculare dintr-un monostrat în celalalt

- flexie (îndoire) (fig.)

Proteinele membranare, în functie de modul în care se însereaza în 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, enzime, receptori, canale ionice

b)- proteine extrinseci (periferice) - patrund în membrana pe o anumita distanta, pe una din cele doua fete, sau sunt atasate la suprafata membranei (receptorii membranari, proteine cu rol imunologic etc.). Ele pot participa la reactii enzimatice si semnalizare celulara, intra în componenta scheletului membranar de la suprafata citoplasmatica a celulei, asigura legatura cu citoscheletul). Membrana celulara se sprijina pe un citoschelet alcatuit din proteine fibrilare.

De exemplu, în cazul hematiei (fig), doua proteine Banda 3 (transportor de anioni) si glicoforina ancoreaza o retea bidimensionala de proteine fibrilare, componenta principala fiind spectrina. Ankirina se leaga atât la spectrina cât si la Banda 3. Filamente scurte de actina cu proteinele asociate formeaza noduri care interconecteaza reteaua de spectrina. Asigura elasticitatea membranei plasmatice a hematiei.

si proteinele prezinta miscari de difuzie laterala si rotatie, într-un mod mai restrictiv (depinzând de interactiunile cu alte proteine). Unele dintre aceste miscari sunt orientate dar în acest caz intervin proteine motoare.

Membrane artificiale (model) - permit studiul unor procese membranare. Dintre acestea mai raspândite sunt lipozomii si bistratele lipidice (ex. BLM - membrane lipidice negre si SSM - membrane lipidice pe suport solid).

Clasificarea proteinelor integrale

Pompe ionice - enzime - utilizeaza diverse surse de energie - predominant ATP - pentru a deplasa ionii (mai ales cationi) si alti solviti prin membrana celulara. În general stabilesc gradienti de concentratie ai speciilor respective de-o parte si alta a membranei. Sunt implicate în transportul activ primar.

Transportori - proteine (enzyme like) care asigura cai pasive de deplasare a diferitelor specii de solviti prin membrane conform gradientului lor electrochimic (de la concentratie mai mare spre concentratie mai mica). Unii dintre acestia, transportori uniport, asigura difuzia facilitata, tip de transport pasiv. O alta categorie etse implicata în transportul activ secundar, respectiv translocarea unei specii conform gradientului electrochimic este insotita de translocarea altei specii contra gradientului sau electrochimic.

Canale ionice - structuri proteice care au in interior un canal cu specificitate ionica, ce poate sa se deschida si sa se închida tranzitoriu. Cand canalul este deschis, prin el va trece un flux de ioni cu orientare neta în sensul gradientului electrochimic. În acest fel se pot controla valorile potentialului electric transmembranar si pot fi generate semnale electrice în diferite tipuri de celule (nervoase, musculare, glandulare). Asigura transportul pasiv al ionilor.

Transport membranar

Clasificarea modalitatilor de transport membranar

1. Macrotransport (endocitoza, transcitoza, exocitoza):

2. Microtransport

- pasiv

- activ

1. Fagocitoza - proces în care celula înglobeaza particule de substanta solida, învelite în pseudopode (prelungiri citoplasmatice) care fuzioneaza în spatele lor.

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

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

- trecerea proteinelor plasmatice din sânge în spatiul extravascular - transcitoza prin endoteliul capilar.

2. Transportul pasiv - deplasarea moleculelor si ionilor în 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 în 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)

DW > 0 - ionii au tendinta de a parasi celula;

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

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

Modalitati de transport pasiv ;

Difuzia simpla

Difuzia facilitata

Difuzia prin canale si pori

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

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

Molecula transportata (substratul S) se leaga pe una din fetele membranei. Se produce în urma legarii o modificare conformationala în 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 încorpora ionii de K⁺, translocându-i prin membrana (si Rb, mai slab). Valinomicina face ca ionii de K⁺ sa iasa din celula bacteriana, provocându-i moartea. Nigericina (K⁺, H⁺, schimb neutru).

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 în ambele sensuri si sunt selective. Pori - structuri neselective, conteaza doar diametrul particulei. Specia transportata se leaga de proteina canal, formând un complex enzima- substrat care evolueaza pe baza cineticii Michaelis-Menten. Pentru ca ionul sa treaca dintr-o parte în cealalta este necesar ca un canal sa fie deschis. Componentele unui canal ionic sunt (fig.): filtrul de selectivitate F, vestibulul V, senzorul S, poarta P, inactivator I. Canalele ionice prezinta o mare specificitate, filtrul nu lasa sa treaca decât anumite specii.

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

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

- 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 pasiva a ionilor. Aceasta se poate face în ambele sensuri, dar este predominanta în sensul gradientului electrochimic. Canalele pot fi inhibate cu blocanti specifici - ex. toxine (tetrodotoxina - canalul de Na⁺). Asemenea experiente de inhibitie permit studierea proprietatilor canalelor.

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

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

- canalele - viteza mult mai mare (milioane - sute de milioane de ioni/s, sunt mai adecvate pentru modificari bruste;

- transportorii sunt în numar mult mai mare;

- transportorii pot participa la transportul activ secundar.

Transportul activ - forma de transport care necesita energie metabolica - cuplare energetica imediata. Poate fi transport activ primar si transport activ secundar.

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.

Clasificarea pompelor ionice:

- Pompe ionice activate de lumina (proteine retinale cum ar fi bacteriorodopsina BR sau halorodopsina, proteine Fotoredox)

- ATP-aze ( familia F0F1, familia ATP-azelor de tip P, familia transportorilor ABC) care folosesc energia provenita din hidroliza ATP pentru a transloca diferite specii de pe o parte pe alta a membranei celulare.

Pompe ionice activate de lumina

Cel mai cunoscut si mai bine studiat membru al familiei este bacteriorodopsina, membru al familiei proteinelor retinale din care fac parte si rodopsinele vizuale. Bacteriorodopsina este o pompa protonica activata de lumina, prezenta în bacteria Halobacterium salinarum, si care transporta protoni protoni din citoplasma înspre exteriorul celulei. Gradientul protonic astfel creat activeaza o ATP-sintaza.

ATP-azele

Familia F0F1 are la rândul sau doua subfamilii: F0F1 sau F-ATP-aze- activeaza sinteza ori hidroliza ATP în functiile de conditiile mediului si V0V1 sau V-ATPaze- controleaza acidifierea continutului diferitelor vezicule - transporta protoni. Se gasesc în sistemul vacuolar al eucariotelor.

F- ATP azele se gasesc în eubacterii, mitocondrii, cloroplaste si utilizeaza gradienti de protoni creati de alte proteine membranare (redox sau activate de lumina) pentru sinteza ATP (ex. ATP-sintaza). Au doua parti (fig.), F1 globulara, solubila în apa, catalizeaza (subunitatile beta) hidroliza sau sinteza ATP în functie de conditii. Subunitatile C sunt cele prin care trec protonii. La trecerea protonilor se roteste partea globulara si prin rotire se stabileste o conformatie favorabila sintezei de ATP. Invers, când exista ATP mult, acesta este hidrolizat si se elibereaza energie care duce la rotatia subunitatilor C. Astfel este favorizat transportul de protoni. Mecanismul transportului de protoni în subunitatile C nu este cunoscut.

V-ATP azele   sunt exclusiv pompe protonice, nu pot sintetiza ATP, doar îl hidrolizeaza. Au structura asemanatoare cu cea a poteinelor F-type.

Familia ATP-azelor de tip P (ATP-aze E1E2) contine proteine care produc diversi gradienti transmebranari. Din aceasta familie fac parte pompe ionice bine cunoscute cum ar fi:

Na , K -ATP-aza care transporta 3Na spre exteriorul celulei si 2K spre interior. Se gaseste în membrana plasmatica celulara, genereaza gradienti de Na si K

H , K -ATP-aza, transporta 1 H spre exteriorul celulei contra a 1 K spre interiorul celulei, se gaseste în membranele plasmatice în stomac si rinichi, implicata în secretia gastrica si duodenala.

Ca -ATP-aza SERCA, transporta 2 Ca spre SR ori ER si 2 H spre citosol, se gaseste în reticulul sarcoplasmic si endoplasmic, scade concentratia de Ca intracelular.

Ca -ATP-aza PMCA, transporta 1 Ca spre exterior contra a 1 H , se gaseste în membrana plasmatica, scade concentratia de Ca intracelular.

H -ATP-aza, transporta în afara celulei 1 H , se gaseste în membrana plasmatica a drojdiilor, plantelor, protozoarelor, genereaza gradient protonic.

P-ATP-azele pot fi implicate în unele boli, de ex.: mutatii ale Ca ATP-azei induc rigiditate si crampe musculare, ale Cu ATP-azelor pot fie sa provoace sindromul Menks - pacientii au deficit de Cu , fie boala Wilson, incapacitatea de a elimina Cu din ficat cu efect toxic. În caz de ulcer se foloseste Omeprazolul care inhiba H ,K ATP-aza gastrica, scazând aciditatea gastrica.

Transportorii ABC formeaza familia cea mai larga si diversificata. Se gasesc în toate organismele. Substratele acestora pot fi ioni anorganici, zaharuri, aminoacizi, polizaharide complexe, peptide si chiar proteine. Unii dintre acestia pot sa fie în acelasi timp canale (CFTR). Mentionam doua tipuri:

CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) care permite ionilor de Cl sa iasa din celula pe baza gradientului lor electrochimic. Deschiderea canalului este comandata de hidroliza ATP. NaCl la polul apical al celulelor pulmonare creeaza o presiune osmotica datorita careia apa din celule este extrasa prin canalele pentru apa - aquaporinele. Speciile ionice sunt din nou transportate în celule prin pompa de Na, K, respectiv transportorul Na, K, 2Cl si circuitul se reia. În acest fel se pastreaza un echilibru hidric ce permite curatarea de bacterii si secretii a lumenului bronhiolelor. În lipsa Cl, prin mutatii la nivelul CFTR (nu se exprima o fenilalanina) plamânul este uscat si se acumuleaza secretii, mucus, prin activitatea bacteriilor. Apar infectii si nu se mai pot face corect schimburile de gaze. Boala se numeste fibroza cistica sau mucoviscidoza si se termina prin moarte.

MDR1 si MDR2 (multiple drug resistance proteins). Pot transporta o multitudine de molecule hidrofobe, molecule care pot intra în celula prin bistratul lipidic si care pot fi toxice pentru aceasta. MDR scot afara aceste molecule. Dar asemenea molecule pot fi si medicamentele utilizate în chimioterapie. Celulele canceroase pot sa supraexprime asemenea transportori reducând eficienta chimioterapiei.

Cea mai cunoscuta pompa ionica este Na⁺,K⁺- ATP-aza. Este alcatuita din patru subunitati proteice (2 a si 2 b); subunitatea a are activitate ATP-azica. Hidroliza ATP furnizeaza energia care permite translocarea a 3 ioni de Na în exteriorul celulei si a doi ioni de K în interior. Este o pompa electrogenica întrucât are ca rezultat un transfer net de o sarcina pozitiva per ciclu în exteriorul celulei.

Conform schemei Albers-Post, în esenta mecanismul de transport este: (schema).

Enzima în conformatia E₁ ia Na⁺ pe partea citoplasmatica si leaga ATP (în prezenta Mg⁺⁺). ATP este hidrolizat, complexul fosforilat sufera o tranzitie conformationala E₁ - E₂ în urma careia scade afinitatea pentru Na⁺, creste pentru K⁺, acesta se ataseaza, are loc o defosforilare, se pierde afinitatea pentru K⁺, enzima trece din nou în conformatia E₁. În repaus ATP-aza de Na, K este responsabila de cca. 30% din consumul energetic celular, iar în celula nervoasa consumul ajunge la cca. 70%.

Transportul activ secundar

Prin acest tip de transport are loc patrunderea speciilor transportate într-un compartiment (extracelular sau intracelular) împotriva gradientului lor electrochimic, prin asocierea cu molecule care se deplaseaza normal conform propriului lor gradient de concentratie. Gradientul este însa mentinut prin transport activ primar. Transportorul întâlnit în difuzia facilitata poate lega cele doua molecule fie în aceeasi stare conformationala (pe aceeasi parte) - simport sau co-transport, fie pe cele doua parti, în stari conformationale diferite - antiport (contra-transport).

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

Exemplu (fig.): glucoza în celulele mucoasei intestinale se asociaza cu Na⁺ care intra pasiv. Ionii de Na⁺ sunt eliminati activ prin transport primar, prin hidroliza ATP. Glucoza ramâne - transport electrogenic.

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