aurash
Junior
Data inscrierii: 19/Dec/2008
Mesaje: 2
|
 Trimis: 28/01/2009 19:49 Titlul subiectului: Biocel |
 |
|
COMPOZIŢIA BIOCHIMICĂ A MEMBRANELOR BIOLOGICE
Pentru a înţelege funcţiile membranelor biologice este necesar a le cunoaşte structura moleculară. Componentele moleculare ale oricărei membrane biologice sunt proteinele, lipidele polare şi glucidele în alcătuirea glicoproteinelor şi glicolipidelor.
Proporţiile în care sunt reprezentate diferitele componente biochimice variază cu funcţia şi localizarea biomembranelor respective.
De exemplu, mulţi neuroni au extensiile învelite de o teacă de mielină. Teaca de mielină care este multistratificată este compusă în mare parte din lipide care induc rolul de izolator electric. La nivelul membranelor mitocondriilor sau cloroplastelor (echivalentul mitocondriilor la celulele vegetale), acolo unde au loc numeroase reacţii catalizate enzimatic, proteinele sunt majoritare.
Fiecare specie, fiecare tip de ţesut sau de celulă ca de exemplu şi diferitele tipuri de organite posedă un set caracteristic de lipide membranare. De exemplu, plasmalema hepatocitelor este bogată în colesterol şi nu conţine nivele detectabile de cardiolipină. În acelaşi timp, membrana mitocondrială internă a hepatocitelor prezintă o distribuţie inversată. Este evident că în celulă există mecanisme de control a cantităţii de lipide sintetizate şi a modului de distribuţie.
Compoziţia proteică a membranelor variază mai mult decât compoziţia lipidică, reflectând specializarea funcţională (1 funcţie – 1 specie proteică). De exemplu, la nivelul celulelor cu bastonaş din retină, o porţiune a celulei este specializată pentru recepţia luminii. La acest nivel, peste 90% din compoziţia plasmalemei este reprezentată de o glicoproteină fotoabsorbantă – rodopsina. Plasmalema eritrocitului, care are o specializare mai redusă faţă de celulele cu bastonaş, prezintă circa 20 de tipuri de proteine esenţiale şi alte câteva sute de importanţă mai mică. Multe din aceste proteine sunt transportori pentru solviţi prin membrană.
Unele proteine membranare sunt legate covalent de reţele complexe de carbohidraţi. De exemplu, glicoforina, o glicoproteină din membrana eritrocitului este compusă în proporţie de 60% din unităţi oligozaharidice complexe ataşate covalent la reziduuri specifice de aminoacizi (cele mai utilizate puncte de legătură le reprezintă reziduurile Ser, Thr şi Asn). Ca şi exemplu antinomic propunem rodopsina, glicoproteina majoritară din membrana celulelor cu bastonaş din retină care prezintă un singur hexazaharid. Componentele glucidice de la suprafaţa glicoproteinelor influenţează plierea lanţurilor de aminoacizi precum şi stabilitatea şi destinaţia intracelulară; joacă de întocmai un rol esenţial în cuplarea specifică a liganzilor la nivelul receptorilor glicoproteici de suprafaţă. Membranele intracelulare (de exemplu, membranele mitocondriale, conţin rareori componente carbohidrate cuplate. Unele proteine sunt cuplate covalent la unul sau mai multe lipide care joacă rolul de ancore hidrofobe.
ARHITECTURA SUPRAMOLECULARĂ A MEMBRANELOR BIOLOGICE
Membranele biologice:
• sunt impermeabile pentru solviţii polari şi permeabile pentru soluţiile non-polare;
• au o grosime care variază între 5-8 nm (50-80 angstromi);
• au un înfățișare trilamelar (trilaminar) pe secţiune, prin vizualizare la microscopul electronic;
Studiile combinate de microscopie electronică şi de compoziţie chimică, de studiu a permeabilităţii şi mobilităţii lipidelor şi proteinelor a determinat dezvoltarea modelului de mozaic fluid.
Conform acestui model, fosfolipidele şi sterolii formează un bistrat lipidic în care regiunile nepolare ale moleculelor lipidice sunt dispuse în apoziţie (faţă în faţă) la nivelul miezului bistratului în timp ce capetele polare privesc spre exterior. În acest bistrat, lipidele sunt inclavate la intervale neregulate şi menţinute prin interacţiuni hidrofobe dintre lipidele membranare şi domeniile hidrofobe ale proteinelor. Unele proteine protruzionează numai pe o singură parte a bistratului lipidic, altele având domenii de cele două părţi ale acestuia. Orientarea proteinelor în bistrat este asimetrică oferind aspectul regionalizat al membranei. Domeniile proteice expuse de o parte şi de alta a bistratului diferă, ceea ce reflectă asimetria funcţională. Exemplarul de mozaic fluid reprezentat de lipidele şi proteinele membranare are particularitatea esenţială a libertăţii de mişcare laterală în planul membranei.
LIPIDELE MEMBRANARE
Lipidele reprezintă substanţe cu semnificaţie biologică particulară care sunt insolubile în apă şi solubile în solvenţi organici cum ar fi: acetona (propanona), etanol, cloroform (triclorometan), dietileter (etoxietan) şi petrol uşor (cu punct de fierbere la 40-60°C).
Din punct de vedere biochimic, lipidele se pot clasifica în:
• lipide de stocare – neutre
• lipide membranare – polare
o fosfolipide
glicero-fosfolipide
sfingo-fosfolipide
o glicolipide – sfingo-glicolipide
o colesterol
Clasificarea lipidelor (schemă) – pe urmă Lehninger
Lipidele sunt molecule care conferă membranei funcţia de barieră. Hartley, în 1936, le-a descris ca şi structuri amfifile sau amfipatice. Aceasta înseamnă că lipidele sunt molecule asimetrice, ele posedând un “cap” polar, hidrofil şi o porţiune alungită “coadă” hidrofobă.
Fosfolipidele (sau fosfogliceridele).
Sunt cele mai abundente molecule lipidice. Ele sunt compuse dintr-un cap polar şi o coadă non-polară. Ele provin din esterificarea glicerolului (propan-1,2,3-triol) la nivelul grupelor -OH. Aceste esterificări se fac la nivelul grupărilor OH din poziţiile 1 şi 2 cu acizi graşi iar la nivelul OH-ului din poziţia 3 cu un derivat al acidului fosforic.
Natura substituentului X, fixat la nivelul acidului fosforic precizează natura fosfogliceridului.
Cel mai simplu compus rezultat din esterificare (în cazul în care X este hidrogenul -H) se numeşte acid fosfatidic. Acesta nu este un component al membranei, el apărând numai în cadrul sintezei altor fosfogliceride. Cele mai importante fosfogliceride membranare sunt:
grupul fosforil al fosfolipidelor este încărcat negativ la pH fiziologic. În consecinţă, încărcarea moleculei fosfolipidice depinde de încărcarea grupului X. Dacă X este neutru, atunci fosfolipidul va fi negativ (DPG, PI, PS). Dacă X este pozitiv, fosfolipidul va fi neutru (PC, PE).
Fosfatidil-colinele, numite altădată lecitine conţin din 2 molecule distincte de acizi graşi: una saturată şi una nesaturată. Lecitinele exogene (provenite din mediul extracelular) le găsim implantate la nivelul monostratului extern al bistratului lipidic. În acelaşi timp, cefalinele se găsesc mai mult la nivelul stratului intern.
Acizii graşi substituenţi la OH în poziţiile 1 şi 2 sunt de obicei diferiţi, unul saturat şi unul nesaturat, cu 12-24 atomi de C, cu 1-4 duble legături tip cis. Astfel, la nivelul unei duble legături se produc plieri ale lanţurilor care pot influenţa modurile de asamblare ale lipidelor membranare.
• Sfingolipidele sunt lipide de o mare diversitate, construite pe baza unui schelet constituit de o moleculă de sfingozină care este un alcool aminat cu lanţ lung de atomi de carbon. Confuziile de terminologie şi clasificare apar la nivelul capului polar. Sfingolipidele pot include din punct de vedere etimologic sfingomielinele la care substituentul X este similar celui al fosfolipidelor (fosforilcolină sau fosforil-etanolamină; alături de sfingomieline, în clasa sfingolipidelor îşi au locul şi glicolipidele, la care substituentul X este o grupare carbohidrată mono sau polizaharidică. Astfel, în clasa sfingolipidelor includem pe criterii biochimice sfingomielinele şi glicolipidele.
Punctul de plecare pentru sfingolipide este reprezentat de sfingozină, un aminoalcool. Considerând poziţia primilor 3 atomi de carbon din sfingozină, structura seamănă cu cea a glicerolului. O sfingozină poate fi amidifiată la nivelul grupului -NH2 de un acid gras cu un număr variabil de atomi de carbon şi de legături duble. Obţinem astfel o ceramidă.
Datele de patologie arată o largă implicare a modificărilor la nivelul sfingolipidelor. Componenta ceramidică reprezintă elementul de ancorare în bistratul lipidic. Glicolipidele se găsesc de regulă în monostratul extern. Regiunea polizaharidică este specifică funcţie de tipul celular, de stadiul de dezvoltare sau se poate modifica în stări patologice (oncologice) ale celulei.
Sistemul nervos central şi periferic conține un conţinut bogat de lipide specializate dar un procent scăzut de trigliceride (grăsimi). Lipidele cerebrale sunt complexe ca structură şi funcţie, fiind implicate în mecanismele de semnalizare. Toate lipidele pot fi sintetizate pornind de la glucoză şi alţi metaboliţi aduşi de sânge. Astfel creierul prezintă capacitatea de a sintetiza acizi graşi dar aceştia vor fi utilizaţi în totalitate pentru sinteza lipidelor membranare şi nu pentru -oxidare sau stocare. Neuronii au tăria de a stoca şi corpii cetonici pentru producerea de energie în cazul deprivării de glucoză.
Urmărind natura componentului X de la nivelul primului atom de C al ceramidei, putem distinge 3 clase de sfingolipide:
Sfingofosfolipide (sfingomieline)
Glicosfingolipide neutre
Glicosfingolipide acide
a. Sfingomielinele rezultă din esterificarea ceramidelor la nivelul alcoolului din poziţia 1 cu un derivat de acid fosforic, de exemplu, fosforiletanolamină sau fosforilcolină.
Sfingomielinele joacă un rol important la nivelul membranelor mielinice.
Lipidele cerebrale se împart în două categorii: lipidele din neuronii materiei cenuşii şi lipidele din materia albă – din teaca mielinică a neuronilor. Fiindcă membranele neuronale sunt asemănătoare altor membrane celulare, ele vor conţine sfingolipide, colesterol şi fosfolipide (acestea din urmă fiind întotdeauna necesare pentru generarea unui bistrat lipidic stabil). Teaca de mielină reprezintă o structură membranară multistratificată distribuită în jurul extensiilor dendritice şi axonale. Acest suport şi izolator electric aparţine de celulele gliale. Un lipid unic în celulele gliale este mono-acil-glicerolul (etanol-amino-plasmalogen). Acesta reprezintă şi un factor activ al coagulării prin reglarea agregării plachetare. Sfingomielina apare şi în materia cenuşie şi în cea albă în timp ce gangliozidele par a fi specifice pentru neuroni.
b. Glicosfingolipidele neutre sau glicozil-ceramidele sunt formate din ataşarea la nivelul primului alcool al ceramidei, printr-o legătură glicozidică, a glucozei, galactozei sau a unui alt polizaharid (di, tri sau tetrahexoză). Putem astfel obţine o mare diversitate de glicosfingolipide. Ele sunt denumite popular cerebrozide deoarece au fost descrise întâia oară la nivelul creierului (-galactozil-ceramida); ulterior ele au fost descrise şi la nivelul altor ţesuturi (-galactozil-ceramida, în splină, la un pacient cu maladie Gaucher).
Partea nepolară a cerebrozidelor participă la formarea bistratului lipidic. Porțiunea polară este componentă glicozidică, ramificată, oligozaharidică şi este implicată în procese de recunoaştere intercelulară. Cel mai studiat model îl reprezintă specificitatea de grup sangvin, dependentă de aceste glicosfingolipide neutre. Cerebrozidele care conţin galactoză sunt denumite galactocerebrozide şi sunt componenţi majori ai mielinei (40%) în monostratul extern al plasmalemei celulelor Schwann (care înveleşte axonul). Joacă un rol esenţial în izolarea electrică.
Exemplificarea implicării glicolipidelor neutre în determinismul grupelor sangvine. Aceste glicolipide fac parte din antigenele de suprafaţă care determină grupele sangvine la suprafaţa hematiilor.
Grupa 0 posedă anticorpi antiA şi antiB iar antigenul specific este prezentat în figura de mai jos. Cei cu grupa 0 pot primi sânge numai de la grupa 0.
Grupa A posedă anticorpi antiB iar antigenul specific este prezentat în figura de mai jos Acest antigen este similar cu cel de la grupa 0 conținând însă în plus o grupare N-acetil-galactozamină. Cei cu grupa A pot primi sânge de la grupa A şi 0.
Grupa B posedă anticorpi antiA iar antigenul specific este prezentat în figura de mai jos. Antigenul este similar cu cel de la grupa A dar în loc de N-acetil-galactozamină prezintă galactoză. Cei cu grupa B pot primi sânge de la grupa B şi 0.
Grupa AB nu posedă anticorpi iar la suprafaţa hematiilor găsim ambele modele de glicolipide de la grupele A şi B. Cei cu grupa AB pot primi sânge de la toate grupele.
c. Glicolipidele acide derivă din glicolipidele neutre.
Cuprind 5 clase:
- sialo-glico-sfingolipide (gangliozide – conţin unul sau mai multe reziduuri de acid sialic, denumit şi acid N-acetil neuraminic - NANA);
- urono-glico-sfingolipide (conţin unul sau mai multe reziduuri de acid uronic);
- sulfo-glico-sfingolipide (conţin grupări esterice carbohidrat-sulfat);
- fosfo-glico-sfingolipide (conţin grupări mono sau diester-fosfat);
- fosfono-glico-sfingolipide (conţin grupări 2-aminoetil-hidroxifosforil)
Descoperite în celulele ganglionare (de unde şi denumirea de gangliozide), ele reprezintă 6% din lipidele membranelor neuronale dar se găsesc şi în alte celule. Glicolipidele sunt acide, deci încărcate electric datorită acidului sialic (care are o încărcare negativă). Rolul lor nu se cunoaşte precis (sunt presupuşi receptori) dar există câteva exemple:
epiteliile de acoperire conţin o cantitate mare de gangliozide care protejează membrana de acţiunea degradativă a factorilor diverşi, cum ar fi pH-ul, enzimele litice.
prezenţa gangliozidelor în membrane poate influenţa încărcarea electrică şi captarea ionilor de Ca2+.
toxina vibrionului holeric nu poate penetra enterocitele decât în prezenţa, la polul apical al acestor celule, a unui gangliozid, denumit GM1. Pătrunderea acestei toxine în interiorul enterocitelor cauzează creşterea concentraţiei de AMPc care conduce la o secreţie crescută de Na şi apă înspre lumenul intestinal, ceea ce produce diareea caracteristică.
Se pare deci, că gangliozidele joacă rol de receptori în cadrul comunicării intercelulare.
Abrevierile Svennerholm
Reprezintă un sistem de abrevieri pentru gangliozide unde G reprezintă gangliozidul, M – mono, D-di, T-tri, Q-tetra-sialo-glico-sfingolipide. Numărul asociat reprezintă ordinea de migrare într-un sistem cromatografic.
Sinteza gangliozidelor este dependentă de traficul membranar de la reticulul endoplasmatic la aparatul Golgi şi la plasmalemă, blocarea acestui trafic ducând la inhibarea sintezei de gangliozide.
Degradarea gangliozidelor are loc în lizozomi şi este catalizată de exohidrataze care determină detaşarea step-by-step a unităţilor zaharidice. Defecte ale acestor enzime determină acumularea gangliozidelor în organe vitale (creier, splină, ficat). Boala Tay-Sachs implică un asemenea defect care are drept consecinţă acumularea GM2 la nivel cerebral cu simptome de orbire, malfuncţii cerebrale, moarte subită sau precoce.
Colesterolul membranar este un component lipidic major al membranei. Este un steroid, derivat de ciclo-pentano-perhidro-fenantren, deci o hidrocarbură tetraciclică saturată.
Molecula este compusă dintr-o coadă hidrofobă sub formă de farfurie, care-i oferă o anumită rigiditate, şi un cap hidrofil, adică gruparea -OH ataşată la C3. Colesterolul are o moleculă mult mai compactă decât cea a fosfolipidelor sau sfingolipidelor. Este inserat în bistratul lipidic iar gruparea -OH de la C3 este situată la nivelul interfeţei cu mediul apos (extra- sau intracelular). Colesterolul reduce fluiditatea şi permeabilitatea bistratelor lipidice. Colesterolul este unul din lipidele indispensabile vieţii. La nivelul membranelor procariotelor, colesterolul lipseşte. Numai cianobacteriile şi microorganismele de legătură cu eucariotele sunt capabile de a sintetiza colesterol, în prezenţa oxigenului.
Proprietăţile lipidelor membranare
Autoaranjarea spontană (autoorganizarea).
Această proprietate se datorează caracterului amfifil (sau amfipatic) descris; astfel, fosfolipidele şi glicolipidele introduse în apă formează un dublu-strat. Acest proces are loc datorită interacţiunilor hidrofobe, interacţiuni care constituie forţele ce conduc la formarea dublului strat. Asamblarea lipidelor ce are ca rezultat formarea acestei matrici (dublul strat) este un proces spontan. Styrer menţiona că în momentul în care moleculele lipidice sunt captate în bistrat (dublul-strat), moleculele de apă sunt îndepărtate. Îndepărtarea apei duce la creşterea entropiei . În plus, cozile hidrocarbonate ale lipidelor sunt legate între ele prin forţe Wan der Waals , forţe care vor favoriza aglomerarea intimă a acestor cozi. Fosfolipidele extrase din membrane şi plasate într-un mediu apos se dispun spontan într-un bistrat, formând astfel membrane artificiale. Din diverse experimente, cunoaştem 2 soiuri de organizare a bistraturilor lipidice:
bistraturi lipidice plane (denumite şi membrane negre);
bistraturi lipidice ce formează vezicule - denumite liposomi.
o altă configurație de organizare spontană este reprezentată de micelii, de asemenea sferice ca şi liposomii, dar, spre deosebire de aceştia, cozile lor hidrofobe exclud apa din interiorul lor.
A. Bistraturile lipidice plane
Pot fi obţinute prin amplasarea unei picături lipidice dizolvate în solvenţi organici, la nivelul unui orificiu care separă 2 compartimente ce conţin apă. După câteva minute, picătura lipidică se etalează în bistrat sub forma unui film bilipidic negru, căci nu reflectă lumina (de unde şi numele). Aceste structuri au fost utilizate în 1970, pentru a demonstra deplasările lipidelor în planul aceluiaşi înveliș sau dintr-un strat lipidic în altul. Aceste membrane au grosimi variabile de la 5nm la 9nm şi prezintă, în microscopia electronică o structură trilamelară. Au o structură asemănătoare membranelor biologice dar diferă prin faptul că sunt mai puţin permeabile şi au o rezistenţă electrică mai înaltă.
B. Liposomii.
Fosfolipidele introduse în apă pot forma liposomi multilamelari, cu un diametru de aproximativ 2 m. Formarea lor poate fi accelerată de agitarea mecanică a vasului de formare. Prin tratamentul lor ultrasonic pot fi transformaţi în liposomi unilamelari. Liposomii sunt folosiţi în experienţe de reconstruire a membranelor prin adiţie de proteine. Astfel ei sunt utilizaţi în terapeutică. Ei permit vehicularea (transportarea) unor medicamente pe care le înglobează, în torentul sangvin de unde pot fi dirijaţi către ţesuturile ţintă.
C. Miceliile
Miceliile reprezintă structuri sferice care conţin câteva zeci până la câteva mii de molecule lipidice dispuse cu regiunile hidrofobe agregate spre interior, excluzând moleculele de apă, şi cu capetele hidrofile spre exterior, în atingere cu mediul apos. Formarea miceliilor este favorizată atunci îndată ce aria pe secţiune a capetelor polare este mai mare decât cea a lanţurilor acil (de acizi graşi). Acesta este cazul unor molecule ca: acizi graşi liberi, lizofosfolipide (fosfolipide cărora le lipseşte un lanţ de AG – acid gras) sau detergenţi cum ar fi sodiu-dodecil-sulfat (SDS) – folosit la electroforeză.
Fluiditatea bistraturilor lipidice. Bistraturile lipidice sunt structuri cvasifluide, interiorul bistratului fiind fluid. Această cvasi-fluiditate este rezultatul mişcărilor efectuate în aparte de fosfolipidele membranare. Cele mai importante mişcări efectuate de lipide sunt rotaţia în jurul propriei axe şi mişcările lanţurilor laterale. Fluiditatea este proporţională cu amplitudinea acestor mişcări şi are ca rezultat deplasarea lipidelor şi a proteinelor în planul membranei.
Mişcările lipidelor sunt:
a. Intramoleculare - când se deplasează numai anumite porţiuni ale moleculei lipidice.
b. De rotaţie şi de translaţie când în mişcare este angajată întreaga moleculă.
Mişcările intramoleculare sunt puţin accesibile şi numai metodelor de investigaţie ca RMN (Rezonanţa Magnetică Nucleară) sau RES (Rezonanţa Electromagnetică de Spin). Aceste mişcări sunt reprezentate de mişcări ale grupurilor de atomi în jurul legăturilor simple precum şi de mişcări segmentare la nivelul acizilor graşi şi modificări de conformaţie la nivelul grupărilor polare.
Mişcările de rotaţie şi de translaţie sunt mai accesibile investigaţiilor.
Mişcarea de rotaţie este foarte rapidă (10-6-10-7 sec.). Moleculele se răsucesc în jurul propriei axe şi, din cauza flexibilităţii lanţurilor laterale, molecula lipidică va fi flectată la maxim la nivelul miezului dublului strat lipidic şi mai puţin flectată la nivelul capetelor polare.
Mişcările de translaţie sunt de două tipuri:
o mişcare de translaţie laterală
o migrare a lipidelor dintr-un strat în altul.
Prin translaţie laterală, lipidele îşi schimbă locurile între ele de circa 107 ori pe secundă, deci coeficientul de difuziune (D) este în medie de 10-8 cm2/sec. Aceasta înseamnă că o moleculă lipidică poate difuza ("străbate") suprafaţa unei bacterii mari (aprox. 2 m) într-o secundă. Este permisă comparaţia cu un ocean lipidic în care moleculele componente au libertate de mişcare datorită interacţiunilor Van der Waals. Mişcările de lateralitate afectează şi mobilitatea proteinelor care, pentru regionalizare şi păstrarea polarităţii funcţionale necesită sisteme specifice de ancorare prin generarea de clustere (agregate macromoleculare lipido-proteice care păstrează poziţiile relative ale proteinelor în membrană) sau prin ancorarea la elementele citoscheletului cortical (cazul proteinelor transmembranare). Un exemplu util este cel al glicoforinelor şi pompelor Na/bicarbonat care sunt cuplate şi imobilizate de spectrină, o proteină specifică citoscheletului eritrocitelor.
Migraţia lipidelor dintr-un strat în altul este îndeajuns de rară şi lentă şi se realizează printr-o mişcare de "basculare" (sau de flip-flop). Aceste mişcări survin destul de rar (o dată la 7-10 zile pentru o moleculă lipidică) şi necesită o cantitate mare de energie sau prezenţa unei proteine denumită flipază.
Mişcările descrise mai sus subliniază afirmaţia conform căreia bistratul lipidic este un fluid bidimensional. Acest caracter depinde, de asemenea, de compoziţia dublului strat deoarece:
fosfolipidele participă la inducerea tranziţiilor de fază (trecerea din dispoziția de cristal lichid în cea rigidă de gel-cristal). Tranziţiile de fază, variate pentru lipide diferite, depind de natura părţii hidrofobe (lanţurile hidrocarbonate). Lanţurile pot adopta fie o conformaţie regulată (când lanţurile sunt rigide şi etalate (drepte) fie una perpendiculară pe bistratul lipidic (conformaţia ) sau înclinate (conformaţia '). Această tranziţie de fază se datorează unei reorganizări a lanţurilor de acizi graşi care trec de la o structură înalt organizată, cea de gel-cristal, rigidă, la una mai mobilă-fluidă, cea de cristal lichid. Această tranziţie de fază de la gel la fluid este energo-absorbantă. În general, lipidele care conţin acizi graşi nesaturaţi suferă tranziţia de fază la o temperatură mai joasă decât lipidele care conţin acizi graşi saturaţi. Această regulă este valabilă pentru lipidele cu lanţuri scurte de acizi graşi deoarece vor avea cozile mai scurte iar forţele de interacţiune Van der Waals dintre ele vor fi mai slabe; în consecinţă, starea de gel este mai puţin stabilă şi suferă tranziţia de fază la temperaturi mai joase.
Bistratul lipidic care conţine mai mulţi acizi graşi nesaturaţi şi mai multe duble legături între acizii graşi, va fi mai fluid iar temperatura tranziţiei sale de fază va fi mai scăzută.
Menţinerea fluidităţii bistratului lipidic pare a fi o necesitate vitală pentru creșterea şi reproducerea celulară. Membranele conţin un amestec de lipide, fiecare lipid fiind caracterizat de propriul său punct de tranziţie de fază. Adaptarea la temperaturi joase se datorează creşterii raportului dintre acizii graşi nesaturaţi şi cei saturaţi, raport care menţine fluiditatea necesară.
Fluiditatea dublului strat lipidic este, de asemenea, influenţată de un alt lipid esenţial - colesterolul. Colesterolul solitar este prea hidrofob pentru a forma un bistrat lipidic şi cu toate astea îl găsim intercalat printre fosfolipide. Gruparea sa polară deține interacţiuni cu grupările polare ale fosfolipidelor în timp ce inelul steroidian prezintă interacţiuni cu acizii graşi ai fosfolipidelor. Efectul colesterolului asupra fluidităţii membranare variază în funcţie de compoziţia lipidică a acesteia. Colesterolul diminuează mişcările aleatorii ale părţilor acizilor graşi situaţi spre suprafaţa bistratului dar în acelaşi timp dispersează cozile acizilor graşi, ceea ce creşte uşor fluiditatea regiunii interne a bistratului. La concentraţii înalte ale colesterolului în membranele celulelor eucariote, la 37°C, acesta le atenuează fluiditatea. De asemenea, la temperaturi superioare celei de tranziţie, colesterolul reduce fluiditatea bistraturilor lipidice. La temperaturi inferioare celei specifice tranziţiei de fază, colesterolul menţine membrana într-o dispoziție fluidă, ceea ce previne acroşarea cozilor acizilor graşi în cazul variaţiilor brutale de temperatură. Astfel sterolii ponderează extremele stărilor de agregare ale membranelor.
Microdomeniile lipidice - există sau nu ?
Cercetări mai mult sau mai puţin recente au născut ipoteza existenţei microdomeniilor lipidice, cu caracteristici particulare, ipoteză sugerată de existenţa a sute de specii lipidice. Prezenţa lor a fost semnalată în aceeaşi măsură în membranele reale cât şi artificiale. Autorii acestei teorii afirmă că dispoziţia acestora ar fi de tip HII şi ar fi expresia mezomorfismului fosfolipidelor. Mezomorfismul semnifică o situație intermediară de trecere de la cristal la lichid, caracterizată de stări succesive de cristal lichid sau de lichid anisotropic cu proprietăţi intermediare între lichide şi solide.
Aceste microdomenii divertisment probabil, un rol important în procesul de amaraj (ancorare) al proteinelor în bistratul lipidic, în procesele de transport facilitat al Ca2+ sau în procesele de fuziune a membranelor.
Asimetria dublului strat lipidic.Un mare număr de membrane au o componenţă lipidică diferită pentru cele 2 monostraturi din structură. Originea asimetriei chimice se găseşte la nivelul locului lor de sinteză, recte în reticulul endoplasmic neted (un organit celular specializat), unde se găsesc translocatori ai lipidelor care le inseră şi le repartizează într-un monostrat sau în altul (aşa cum se va vedea în capitolele referitoare la organitele celulare, reînnoirea membranelor celulare depinde de reticulul endoplasmatic - atât rugos cât şi neted - care "înmugureşte" trimiţând vezicule spre membrana celulară cu care fuzionează).
Importanţa asimetriei (manifestată mai ales la fosfolipide) se exprimă mai bine la nivelul eritrocitelor. Astfel, la nivelul monostratului extern există mai ales fosfolipide care au colina ca şi grup polar ca de pildă şi sfingomielină. În monostratul intern găsim fosfatidil-serină şi fosfatidil-etanolamină. Prezenţa serinei este capabilă să creeze o diferenţă de potenţial electric între cele 2 straturi, diferenţă importantă pentru funcţionarea unor enzime. Astfel, protein-kinaza C este activată de semnale extracelulare dar numai în prezenţa membranară a fosfolipidelor încărcate negativ (datorită serinei la nivelul capului polar).
În general se pot distinge cel puţin 3 categorii de membrane biologice:
1) membrana plasmatică – plasmalema sau membrana celulară externă limitantă ce conferă individualitate celulei;
2) endomembrane – membranele organitelor celulare ce realizează delimitarea compartimentelor intracelulare, specializate în diferite funcţii;
3) membrane speciale – ex: teaca de mielină de la nivelul neuronilor.
Funcţiile membranelor biologice
Încă din 1950 s-a ajuns la concluzia că membranele biologice nu trebuie considerate drept un rudimentar înveliş înzestrat doar cu selectivitate, un necomplicat „acoperământ de protecţie”, intuindu-se existenţa la nivelul lor a unor procese importante ale metabolismului celulei vii. În prezent se consideră că membranele biologice sunt „dispozitive biochimice complexe cu expresie morfofuncţională” îndeplinind următoarele funcţii:
1) Funcţia de barieră. Membranele biologice sunt structuri continue ce delimitează compartimente şi îndeplinesc funcţia de barieră. Astfel, plasmalema separă celulele de mediul înconjurător conferindu-le individualitate, membrana nucleară şi sistemul de endomembrane delimitează o serie de structuri intracelulare de restul citoplasmei, menţinând atât individualitatea acestora cât şi compoziţia lor moleculară specifică.
2) Controlul schimburilor de substanţe. Această barieră pe care o reprezintă membrana cuprinde în acelaşi timp permeabilitate selectivă, împiedicând ieşirea necontrolată a compuşilor vitali pentru funcţionarea compartimentelor ce le delimitează, permiţând trecerea diferitelor molecule doar variat, funcţie de sarcina lor electrică, gradul de liposolubilitate, lungime şi chiar formă. Astfel, la nivelul plasmalemei, unele molecule pot pătrunde în celulă prin simplă difuziune datorită gradientului de concentraţie, altele sunt transportate prin membrană pentru menţinerea unei anumite concentraţii de o parte şi de alta a acesteia. În acest mod ele menţin şi protejează constantele fizico-chimice ale unui anumit conţinut, buna desfăşurare a metabolismului celulei vii bazându-se pe această funcţie a sistemului de membrană ce separă diferitele compartimente intracelulare, fiecare cu specificul său. Aceste compartimente nu sunt autonome, ele comunică între ele, activitatea lor depinzând de schimbul de molecule şi ioni ce se realizează prin intermediul membranei ce le delimitează.
O consecinţă importantă a acestei permeabilităţi selective a plasmalemei o reprezintă capacitatea de menţinere a potenţialului de membrană, vital în primul rând pentru aşa numitele celule excitabile, neuronii şi celulele musculare dar şi pentru restul celulelor, în abilitatea acestora de a răspunde semnalelor venite din mediul extracelular.
3) Rol în transferul de informaţii. Membranele controlează fluxul de informaţii dintre celule şi mediul extracelular, prezentând receptori specifici ce au capacitatea de a recunoaşte şi lega anumite molecule (liganzi) reversibil şi prin complementaritate.
Astfel, deplasarea bacteriei către hrană, răspunsul celulelor ţintă la hormoni, percepţia luminii, etc. reprezintă doar câteva exemple de procese în care detectarea unui semnal de către un receptor membranar specific constituie evenimentul primar şi de maximă importanţă. De asemenea, la nivelul plasmalemei se găsesc receptori pentru antigene endogene (la suprafaţa limfocitului T) cu rol important în răspunsul imun, receptori pentru antigene, etc. Activarea receptorului prin cuplarea ligandului va determina în final apariţia unei reacţii de răspuns din bucată celulei (diviziune, sinteză şi secreţie, etc.). În acest mod, membranele joacă un rol central în comunicarea biologică.
4) Rol în interacţiunile celulare. În ţesuturile normale celulele aderă unele la altele şi la matricea extracelulară prin intermediul zonelor de cuplaj celular. Moleculele adezivităţii celulare din structura plasmalemei au în primul rând funcţie mecanică, menţinând celulele laolaltă şi în poziţie; multe dintre ele se comportă şi ca receptori ce primesc şi traduc semnale intracelulare reglatoare ale proliferării celulare prin inhibiţie de contact şi pe cele legate de reglarea diferenţierii celulare. Situată la limita externă a celulelor, membrana plasmatică ia parte la edificarea acestor zone de cuplaj celular celulă-celulă şi celulă-matrice, structuri esenţiale în asamblarea celulelor în ţesuturi, în realizarea arhitecturii normale a ţesuturilor animale.
5) Rol în metabolismul celular şi în procesele de transducţie energetică. În primul rând, membranele biologice reprezintă cadrul bine organizat ce facilitează asociere ordonată a complexelor enzimatice implicate în reacţiile metabolice celulare. Astfel, în membrana internă mitocondrială, componentele lanţului transportor de electroni şi ale fosforilării oxidative trebuie să funcţioneze într-un mod organizat, poziţionarea corectă a acestor proteine şi trecerea ordonată a electronilor dintr-un complex în altul, este realizată de structurile acestei membrane. De fapt, activitatea multor complexe enzimatice implicate în metabolismul celular este asociat atât plasmalemei cât şi endomembranelor. De asemenea, două importante procese de conversie energetică din sistemele biologice sunt localizate la nivelul unor membrane ce conţin structuri proteice dispuse ordonat. Este vorba de procesul de fotosinteză şi sinteza de ATP, localizate la nivelul membranei interne a cloroplastelor, respectiv mitocondriei.
TRANSPORTUL PRIN BIOMEMBRANE se poate face prin bistratul lipidic sau prin proteine ce străbat bistratul.
TIPURI MAJORE DE TRANSPORTORI PROTEICI PRIN MEMBRANE.
Transportori cuplaţi cu consumul de ATP (ATPaze): realizează transport împotriva gradientului de concentraţie.
Transportori necuplaţi cu consumul de ATP: (nu sunt ATPaze) şi pot fi de 2 tipuri:care realizează transport împotriva gradientului de concentraţie (prin cuplarea cu un transport în sensul gradientului de concentraţie.
• care realizează transport în sensul gradientului de concentraţie.
CLASIFICAREA TRANSPORTULUI ÎN FUNCŢIE DE CONSUMUL DE ENERGIE:
- transport pasiv - nu consumă energie
- transport activ - consumă energie
CLASIFICAREA TRANSPORTULUI ÎN FUNCŢIE DE NUMĂRUL DE MOLECULE TRANSPORTATE:
- sisteme de transport pentru o singură moleculă – UNIPORT
- sisteme de transport pentru două sau mai multe molecule – COTRANSPORT
o în aceeaşi direcţie – SIMPORT
o în direcţii opuse – ANTIPORT
TRANSPORTUL PASIV
SE FACE ÎN SENSUL GRADIENTULUI DE CONCENTRAŢIE
NU CONSUMĂ ENERGIE
Clasificare:
- difuzia
+ simplă, prin bistrat lipidic
+ prin proteine: canal - simplă (ionofori canal) şi canale ionice selective carrier - difuzia facilitată şi ionofori carrier
DIFUZIA SIMPLĂ
A. Difuziunea simplă prin bistratul lipidic.
prin acest tip de transport pasiv trec prin membrană substanţele care se dizolvă în bistratul lipidic (care se numesc substanţe lipofile). Nu sunt implicate proteine.
se face de la o concentraţie mai mare la una mai mică a substanţei de transportat
substanţele care pot trece prin această metodă sunt: hormoni steroizi, vitamina A, medicamente liposolubile
acest tip de transport depinde de coeficientul de partiţie apă-ulei care ne arată cât de mult este o anumită substanţă este solubilă în apă sau în ulei. Dacă valoarea coeficientului de partiţie apă-ulei este mare, atunci substanţa trece mai uşor prin bistratul lipidic, deci este mai liposolubilă.
cu cât substanţa este mai liposolubilă cu atât va trece mai uşor prin bistratul lipidic.
excepţie de la această regulă fac: apa, ureea, metanolul.
În timp, practic orice moleculă poate traversa un bistrat lipidic lipsit de proteine, în funcţie de gradientul de concentraţie pentru substanţa respectivă. Rata la care se face acest transfer depinde de mărimile moleculei şi de solubilitatea relativă în ulei (hidrofobicitate). În general, cu cât o moleculă este mai mică şi mai solubilă în ulei (cu cât este mai hidrofobă sau mai solubilă în ulei), cu atât va difuza mai repede prin bistratul lipidic.
Transportul are loc conform ecuaţiei
P = KD/x,
p – permeabilitatea bistratului
k- coeficient de partiţie apă-ulei
D difuzibilitate
X grosimea bistratului
Astfel rata difuziei oricărei substanţe prin membrană este proporţională cu coeficientul ei de permeabilitate specific. Cum D şi x sunt cam aceleaşi pentru majoritatea substanţelor, rata difuziei persistă dependentă de coeficientul de partiţie K. Legea lui Fick nu se aplică moleculelor încărcate.
Transportul mediat de proteine:
Membranele celulare sunt permeabile pentru substanţe polare, cum ar fi ionii, zaharurile, aminoacizii, nucleotidele sau diverşi metaboliţi celulari, spre deosebire de membranele artificiale. Transportul acesta se datorează unor proteine de transport transmembranare care transportă specific o anumită clasă de molecule şi uneori numai anumiţi reprezentanţi moleculari ai unei clase. Proteinele care realizează transportul acesta sunt proteine multi-pass care realizează un canal cu un interior hidrofil (polar) care va îngăduie trecerea moleculelor polare (ca un fel de butoi fără capace). Există 2 clase majore de proteine implicate în transportul mediat de proteine:
• proteine canal nu necesită legarea substratului de transportat şi formează pori apoşi în membrană permiţând transportul, de exemplu, al ionilor anorganici. Se descriu ionofori canal şi canale ionice selective. Viteza de transport este mai mare decât în cazul proteinelor carrier.
• proteine carrier (cărăuş, permeaze sau transporteri) necesită legarea substratului de transportat, suferind apoi o serie de modificări conformaţionale ciclice care încuviințează transferul substratului de pe o parte a bistratului pe alta. Proteinele carrier pot participa la transportul pasiv (ionofori carrier sau difuziune facilitată) sau la transportul activ (proteine carrier cuplate cu o sursă de energie - hidroliza ATP).
Transportul mediat de proteine poate fi divizat în:difuzie simplă prin proteine: tip ionofori canal şi carrier şi alte canale ionice
• difuziune facilitată: prin proteine carriertransport activ prin proteine carrier
A. Difuzia simplă prin proteine este mediată de ionofori canal sau carrier.
ionofori de tip canal - de exemplu gramicidina
- sunt proteine transmembranare
- sunt formaţi din 2 subunităţi puse cap la cap
- cele 2 subunităţi formează împreună un canal (por) care străbate membrana
- interiorul canalului format de ionofor este polar şi permite trecerea a câte un ion, în sensul gradientului de concentraţie.
ionoforii de tip cărăuş (carrier) - de exemplu valinomicina
- ele reţin un ion şi-l transportă de la exterior la partea interioară printr-o modificare de conformaţie. Modificarea de conformaţie înseamnă că ionul de transportat este captat pe o faţă a membranei, inclavat într-o combinaţie hidrofilă la interior şi hidrofobă la exterior care poate circula prin bistrat către cealaltă faţă a membranei unde eliberează ionul captat.
Valinomicina este un polimer inelar care transportă K+ în sensul gradientului de concentraţie, preluând un ion de K de pe o parte a membranei şi eliberându-l de cealaltă parte printr-o modificare de conformaţie.
B. Difuziunea facilitată
- se face tot de la o concentraţie mai mare la una mai mică a substanţei de transportat.
- are o viteză mai mare decât difuzia simplă
- se face prin proteine tip carrier (cărăuş) prin mecanism ping-pong - modificare conformaţională asemănătoare dar nu similară cu cea suferită de ionoforii carrier. Această modificare conformaţională nu este similară cu cea a ionoforilor carrier pentru că molecula de transportat în cazul difuziunii facilitate este mult mai mare iar consumul energetic ar fi excesiv.
- se desfăşoară ca o reacţie de cataliză enzimatică conform unei cinetici Michaelis-Menten
- prin difuzie facilitată traversează membrana apa, ureea, glicerolul, glucoza şi aminoacizii
Unele proteine carrier transportă un singur solvit de pe o parte pe alta a membranei la o rată determinată de Vmax şi Kmax. Aceste proteine sunt sisteme uniport. Altele au o cinetică mai complexă, funcţionând ca şi transportori cuplaţi, în care transportul unui solvit depinde de transferul simultan sau secvenţial al unui al doilea solvit, fie în aceeaşi direcţie (simport) sau în direcţia opusă (antiport).
Să luăm în studiu exemplul transportului glucozei prin membrana eritrocitară, transport care se realizează prin mecanisme de difuziune facilitată.
Transportul glucozei se face printr-un sistem uniport, privat de consum de energie, în sensul gradientului de concentraţie. Transportorul glucozei oscilează între 2 stări conformaţionale: una cu situsurile de legare ale glucozei expuse la exterior iar alta cu aceleaşi situsuri expuse la interior. Transportul unidirecţional al glucozei de la exterior la interior are loc atunci când fixarea glucozei la situsul specific de legare situat la exterior determină o modificare conformaţională; situsul exterior de legare a glucozei este inactivat şi aceasta din urmă se deplasează, odată cu modificarea de conformaţie, către interiorul proteinei transportoare transmembranare care exprimă acum situsuri cu afinitate crescută pentru glucoză, exprimate spre interiorul celulei. Odată orientată spre interiorul celulei unde concentraţia sa este mai scăzută ca în exterior, glucoza este eliberată; eliberarea determină o abia apărută modificare conformaţională care va duce la reluarea conformaţiei iniţiale a transportorului, cu situsurile spre exterior activate şi avide de glucoză. Reacţia este reversibilă depinzând numai de gradientul de concentraţie al glucozei.
Cinetica difuziunii facilitate pentru glucoză: poate fi descrisă ca şi cinetica unei reacţii catalizate enzimatic. Să presupunem că o substanţă, de exemplu glucoza, se află pe faţa externă a membranei. În acest caz:
Km Vmax
Safară + transportor complex S-transporter Sînăuntru + transportor
unde K¬m este constanta de legare substanţă-transportor iar Vmax este rata de transfer maximă a substanţei în celulă. Dacă C este concentraţia substanţei în afara celulei (iniţial, concentraţia intracelulară fiind zero), în acord cu ecuaţia Michaelis Menten putem scrie:
unde v este rata de transfer a unei substanţe specificate în celulă, Vmax este rata transportului atunci când toate moleculele transportoare conţin substanţa S legată iar Km este concentraţia substanţei atunci când are loc un transfer la jumătate din rata maximală (cu cât Km este mai scăzut, cu atât substratul va fi mai strâns legat de transportor).
C. Difuzia prin proteine canal altele decât ionoforii.
Spre deosebire de proteinele carrier, proteinele canal formează pori care traversează membrana. Aceşti pori sunt de dimensiuni mari la nivelul joncţiunilor de tip gap stabilite între 2 celule sau la nivelul porinelor care străbat membrana externă a bacteriilor, mitocondriilor sau cloroplastelor. Porii care străbat membranele celulelor au dimensiuni mult mai mici şi sunt înalt selectivi, permiţând numai trecerea ionilor, fiind denumiţi canale ionice. Eficienţa transportului ionic prin aceste canale este foarte mare, de ordinul a 1 milion de ioni per secundă, de 1000 de ori mai mare decât absolut orice carrier proteic cunoscut. În acelaşi timp, transportul prin canale ionice nu poate fi cuplat cu vreo sursă de energie, deci va fi numai de tip pasiv. Aceste canale permit trecerea grabnică a Na, K, Ca sau Cl în sensul gradientului de concentraţie, ceea ce nu exclude însă probabilitatea reglării acestui transport.
Canalele cu poartă ghidată de voltaj se găsesc la nivelul membranelor celulelor excitabile - nu numai neuroni, ci şi celule musculare, endocrine.
Canalele cu poartă ghidată de ligand sunt specializate pentru conversia rapidă a semnalelor chimice în semnale electrice la nivelul sinapselor. Canalele ionice sunt concentrate la nivelul membranei postsinaptice şi se deschid tranzitoriu ca urmare a acţiunii neurotransmiţătorului emis prin exocitoză la nivelul membranei celulei presinaptice. Descărcarea neuromediatorului produce o creştere tranzitorie a permeabilităţii membranei post-sinaptice. Spre deosebire de canalele voltaj dependente, canalele ligand dependente nu sunt sensibile la modificări ale potenţialului de membrană şi nu pot produce prin ele însele o amplificare a excitaţiei. Ele vor determina modificări în permeabilitatea locală şi în consecinţă modificări ale potenţialului de membrană, modificări gradate în funcţie de cantitatea de neurotransmiţător eliberată şi de persistenţa neurotransmiţătorului la nivelul sinapsei. Un potenţial de acţiune poate fi generat din această zonă numai dacă este deschis un număr suficient de canale ligand dependente care să determine o modificare de potenţial care să activeze canalele voltaj dependente.
TRANSPORTUL ACTIV
Transportul activ reprezintă pomparea moleculelor sau ionilor prin sisteme de transport membranar, împotriva gradientului de concentraţie.
Transportul activ necesită:
- un transportor întotdeauna proteic;
- o sursă de energie – aici ATP
Energia furnizată de ATP poate fi întrebuințată direct sau indirect.
1. TRANSPORTUL ACTIV PRIMAR
Unii transportori cuplează ATP în mod direct şi utilizează energia provenită din hidroliză pentru transportul activ.
NAK ATPaza de exemplu pompează K intracelular şi Na extracelular, stabilind astfel o concentraţie crescută de K intracelular, concentraţie esenţială pentru generarea unui potenţial electronegativ în citoplasmă. Exemple de transportori activi primari:
- Na-K-ATP-aza
- H-K-ATP-aza
- Ca ATP-aza
- Transportori ABC (ATP-binding Cassette)
Pompele ionice (sistemele de transport activ primar) pot fi grupate în 3 clase – V, T şi P.
Pompele ionice din clasa P au cea mai simplă structură, compusă din 4 subunităţi transmembranare: două şi două . Subunitatea este cea mai mare şi este cea fosforilată în timpul procesului de transport; se pare că ionii traversează această subunitate. În această clasă de pompe intră NaKATPaza, Ca-ATPaza (din care un tip la nivelul plasmalemei care scoate Ca din celulă şi altul la nivelul reticolului sarcoplasmatic – variantă de reticol endoplasmatic rugos la nivelul celulelor musculare – care pompează Ca în interiorul acestui organit). La nivelul unor feluri de celule secretoare de acid întâlnim pompe din clasa P transportoare de protoni (H) către exterior şi K către interior, pompele de H-K.
Pompele din clasele V şi F sunt asemănătoare ca structură dar nu seamănă cu pompele de tip P. Toţi membrii acestor două clase transportă numai protoni. Pompele din clasa F conţin cel puţin trei tipuri de proteine transmembranare iar cele din clasa V cel puţin 2 tipuri. Ambele clase mai conţin cel puţin 5 tipuri de polipeptide extrinseci, pe faţa citoplasmatică, formând domeniul citoplasmatic al acestor pompe.
Pompele din clasa V menţin pH-ul scăzut la nivelul vacuolelor din celulele vegetale sau lizozomii din celulele animale prin pomparea de protoni din citoplasmă în interiorul acestor organite.
Prin contrast, pompele de tip F funcţionează în sensul invers, al sintezei de ATP din ADP şi Pa prin mişcarea protonilor în sensul gradientului de concentraţie (se va vedea mecanismul sintezei ATP la nivelul mitocondriilor).
Deşi aceste proteine sunt denumite ATPaze, sistemul este atât de compact creat încât energia stocată în legăturile fosfoanhidridice la nivelul ATP (aşa-numitele legături fosfat macroergice) nu este disipată: ATP nu este hidrolizat în ADP şi Pa până când ionii nu sunt transportaţi. Proteina de transport colectează puterea liberă delivrată în timpul hidrolizei ATP şi o utilizează pentru a deplasa ionii împotriva unui gradient electric sau chimic.
NaKATPaza
Citoplasma celulelor animale conţine o concentraţie de ioni de K de aproximativ 20 de ori mai mare decât cea din fluidul extracelular. Invers, fluidul extracelular conţine o concentraţie de ioni de Na de 10 ori mai mare decât citoplasma.
Aceste concentraţii sunt stabilite prin transport activ (cotransport) al ionilor de Na şi K. Se vor transporta 3Na către exterior şi 2K către interior.
Pompa NaK este un tetramer format din 2 subunităţi şi 2 subunităţi . Polipeptidul are o greutate moleculară (MW – molecular weight) de 50.000 Da (daltoni – unitate de măsură a masei egală cu 1/12 din masa unui atom de carbon 12 şi astfel nespus de aproape egală cu masa unui atom de hidrogen). Este o glicoproteină, aparent neimplicată direct în transportul ionic dar care ajută la plierea corectă în membrană a subunităţilor .
Polipeptidul are o MW de 120.000 Da, este un peptid neglicozilat a cărui secvenţă de aminoacizi este similară cu cea din Ca-ATPaza din membranele reticulului sarcoplasmatic. Subunitatea prezintă o prelungire intracitoplasmatică la care sunt cuplate domenii care conţin situsuri (locuri) de legare pentru ATP şi o grupare de acid aspartic fosforilată. Procesul este desenat mai jos.
Funcţionarea pompei poate fi inhibată de ouabaină, o substanţă care se leagă la suprafaţa exoplasmică a proteinei.
Mecanism de acţiune.
Este similar cu cel al CaATPazei. În starea E1, stare conformaţională a proteinei în care situsurile de cuplare pentru Na de la nivelul feţei citoplasmice sunt active (pasul 1), constanta de legare Km pentru Na a acestor situsuri este de 0,06 mM, valoare foarte scăzută în raport cu concentraţia intracelulară a Na care este de aproximativ 12 mM. Aceasta indică faptul că ionii de Na se vor cupla la aceste situsuri. După cuplarea ATP, grupul fosfat terminal este transferat la reziduul aspartat al subunităţii , generând stadiul E1-P (pasul 2). Proteina suferă apoi o modificare conformaţională, ajungând în stadiul E2, timp în care cei trei ioni de Na traversează proteina şi ajung să fie ataşaţi la situsuri cu o forţă de legare scăzută la nivelul feţei exocitoplasmatice (pasul 3). Ionii de Na disociază în mediul extracelular iar doi ioni de K se împreunează la situsurile de înaltă afinitate de la nivelul feţei exocitoplasmatice (pasul 4). Km pentru situsurile de legare pentru K este de 0,2 mM, o valoare mai scăzută în raport cu concentraţia extracelulară de K (4 mM), deci situsurile acestea vor cupla K. Legătura aspartil-fosfat este hidrolizată (pasul 5) iar cei doi ioni de K străbat pompa şi devin ataşaţi la situsurile de afinitate joasă de pe faţa intracitoplasmatică a pompei (pasul 6). Mai târziu ce ionii de K disociază în citoplasmă, proteina (NAKATPaza) este gata să reia un nou ciclu de transport.
Pompa H-K
Celulele parietale ale stomacului folosesc această pompă pentru a forma şi secreta sucul gastric. Aceste celule transportă protoni (H+) de la o concentraţie de 4x10-8 M intracelular la o concentraţie de 0,15 M în sucul gastric (asta pentru un pH de aproximativ 1). Enzimele digestive funcţionează numai la pH acid. Celulele parietale ale stomacului, faimoase şi sub numele de celule oxintice conţin H-K-ATPaze la nivelul membranei polului apical, pol orientat către lumenul gastric. Este o pompă din clasa P, similară ca structură şi funcţie cu NaKATPaza. Este o pompă electro-neutră schimbând 1K+ pentru 1H+ pentru fiecare moleculă de ATP hidrolizat. Nu există un schimb net de sarcină electrică. Pompa H-K generează o concentraţie de H+ de 106 ori mai mare în lumenul stomacului decât în citoplasmă (pH-1 faţă de pH-7). Deoarece [H+]+[OH-]=10-14 M2, exportul de H din citoplasma celulelor parietale ar trebui să conducă la o creştere a anionilor OH- şi să determine o creştere a pH citoplasmatic. Totuşi, aceasta nu se întâmplă, pH celular rămânând neutru.Excesul de anioni OH se combină cu CO2 care pătrunde în celulă prin difuziune din capilarele sangvine formând HCO3-, reacţie catalizată de anhidraza carbonică citoplasmatică. Ionul de HCO3- este transportat prin membrana bazolaterală a celulei parietale la schimb cu ionul de Cl- prin intermediul unei proteine schimbătoare de ioni, asemănătoare cu proteina benzii 3 din membrana eritrocitului. Ionul de Cl- la rândul său, iese prin canalele de Cl- de la nivelul membranei apicale a celulelor parietale, ajungând în lumenul gastric. Pentru a păstra echilibrul electric, la fiecare ion de Cl care iese din celula parietală iese şi un ion de K+ printr-un canal separat. Sunt aceiaşi ioni de K introduşi de pompa H-K. Rezultatul net al funcţionării acestei pompe este acumularea de H şi Cl în lumenul gastric. Faptul că celulele parietale sunt strâns interconectate la polul apical prin joncţiuni strânse nu permite difuzia ionilor secretaţi înapoi în fluidul extracelular, prin transport paracelular.
Macrotransportul
EXOCITOZA ŞI ENDOCITOZA
Reprezintă un tip specific de transport prin membrane care este conceput prin vezicule. Se deosebeşte de microtransferul prin proteine sau prin bistratul lipidic.
Majoritatea celulelor pot să elimine sau să importe macromolecule specifice prin bistratul lipidic.
Există trei tipuri de transport vezicular, în funcţie de direcţia de transport:
- transport din mediul extracelular în celulă;
- transport din celulă în mediul extracelular
- transport transcelular
A. transportul din mediul extracelular în celulă, este denumit endocitoză; se descriu două tipuri de endocitoză, în funcţie de dimensiunea veziculelor de transport:
1. fagocitoză (celula mănâncă), se realizează prin vezicule mari, pentru particule de mari dimensiuni cum ar fi bacteriile şi deşeurile celulare;
2. pinocitoza (celula bea), implică transportul intracelular pentru fluide sau soluţii sub siluetă de picături, prin intermediul veziculelor mici.
B. transportul din celulă către mediul extracelular se numeşte exocitoză
C. transportul transcelular se numeşte transcitoză. Exemplu: macromoleculele transportate prin peretele capilarelor sangvine. Transcitoza se poate realiza prin:
- vezicule independente care traversează celulele endoteliale de la faţa luminală la faţa interstiţială;
- prin canale formate de vezicule care fuzionează (se alipesc)
ENDOCITOZA
Reprezintă procesul prin care celulele ingeră (transportă în interiorul lor) particule lichide sau solide din mediul extracelular.
PINOCITOZA este un proces care implică ingestia de particule lichide. Fluidul extracelular este cuprins de celulă în vezicule şi transportate în interior. Există două tipuri de pinocitoză:
PINOCITOZA ÎN FAZĂ FLUIDĂ (independentă de receptori). O moleculă lichidă se leagă la suprafaţa externă a unei celule şi determină producerea unor invaginări (depresiuni); astfel, picăturile de fluid sunt introduse în citoplasmă, fiind învelite de fragmente din plasmalemă (vezicule învelite). Vezicula se numeşte pinosom şi are un calibru de 50-200 microni. Un pinosom poate urma trei căi:
- se cuplează cu un lizozom primar şi formează un lizozom secundar; în acest lizozom secundar, moleculele ingerate sunt desfăcute de către enzimele lizozomale; produşii rezultaţi sunt transportaţi în citoplasmă unde celula îi foloseşte în procese metabolice diverse.
- Pinosomul rămâne în citoplasmă ca depozit.
- Pinosomul poate fi trasnportat la plasmalemă iar conţinutul său este exocitat.
PINOCITOZA MEDIATĂ DE RECEPTORI este denumită pinocitoză selectivă. Se realizează prin depresiuni ale plasmalemei în care se concentrează un mare număr de receptori. Pe faţa internă a plasmalemei, aceste depresiuni sunt tapetate cu molecule specifice de clatrină şi adaptină, care distracție un rol important în recunoaşterea celulară. Receptorii sunt recunoscuţi de aceste proteine şi astfel se realizează concentrarea lor la nivelul depresiunilor. După legarea ligandului de transportat la nivelul receptorilor din depresiuni, aceste depresiuni (denumite caveole) se invaginează în membrană şi se închid, formând vezicule. Aceste vezicule vor fi învelite de moleculele care tapetau depresiunile şi anume clatrină. Învelişul de clatrină al veziculelor are o structură specifică, deținând o structură cu trei prelungiri (triskelion).
Un triskelion este format din trei molecule de clatrină şi trei molecule mici. Triskelioanele sunt aranjate în formă de coş de baschet, într-o reţea de tip hexagonal şi pentagonal la suprafaţa veziculelor de endocitoză. O altă moleculă care participă la structura de înveliş a veziculelor este adaptina. Adaptina joacă un rol important în legarea moleculelor de clatrină la membrana care înveleşte veziculele. Adaptina recunoaşte o secvenţă semnal formată de 4 resturi de aminoacizi de la nivelul cozii receptorilor.
Imediat după formarea veziculei, aceasta pierde învelişul de clatrină iar moleculele de clatrină sunt dirijate către faţa internă a membranei unde vor participa la tapetarea altor depresiuni.
Odată formate, veziculele pot urma trei căi:
- fuzionează (se unesc) cu enzozomii timpurii. Fiecare endozom reprezintă o structură veziculară cu interior acid (pH-5). Endozomii reprezintă structuri dinamice care apar sau dispar în funcţie de necesităţile celulei. Datorită mediului interior acid, receptorii care aduc cuplate moleculele de ligand din mediul extracelular, îşi modifică structura eliberând ligandul. Moleculele endocitate (liganzi) vor fi grupare într-o regiune specifică a endozomului. În această regiune se formează noi vezicule care conţin ligandul. Receptorii se acumulează în altă regiune a endozomului. În aceste regiuni, se formează alte vezicule care conţin receptorii care vor fi astfel retrimişi la suprafaţa celulară pentru a cupla alţi liganzi.
- A doua cale este similară cu prima cu diferenţa că receptorii sunt transportaţi la nivelul membranei bazolaterale.
- A treia cale seamănă cu prima. Receptorii sunt incluşi în vezicule împreună cu liganzii.
Căile I şi III de reciclare a receptorilor au ca specific faptul că veziculele ajung la nivelul endozomilor târzii. De aici, o parte din vezicule sunt direcţionate către complexul Golgi sau către lizozomi. În lizozomi are loc digestia conţinutului, în complexul Golgi are loc utilizarea conţinutului.
EXEMPLE:
Transportul colesterolului
Transportul colesterolului în celulă se face prin pinocitoză mediată de receptori şi are ca rol prevenirea acumulării de colesterol în sânge cu riscul formării de plăci ateromatoase. Majoritatea colesterolului este transportat în sânge legat de LDL (lipoproteine de densitate joasă). LDL reprezintă molecule de dimensiuni mici care conţin colesterol legat de proteine. Dacă o celulă are nevoie de colesterol atunci va exprima receptori pentru LDL la suprafaţă.
Receptorii pentru LDL se aglomerează la nivelul depresiunilor la suprafaţa celulei. Toate particulele cu LDL care se înnodă la aceşti receptori sunt endocitate deosebit de rapid. Veziculele formate cu înveliş de clatrină pierd extraordinar de repede acest înveliş şi fuzionează cu endozomii timpurii, apoi cu endozomii târzii şi în final cu lizozomii. Astfel, în 10-15 minute de la cuplarea cu receptorii de suprafaţă, LDL ajunge în lizozomi unde esterii de colesterol sunt hidrolizaţi şi colesterolul liber este eliberat şi folosit de celulă. Receptorii pentru colesterol urmează calea I de reciclare. Receptorii pentru LDL sunt desprinşi de LDL în endozomi şi recirculaţi la suprafaţa membranei celulare.
Transportul fierului
Fe este transportat în sânge de o proteină numită transferină. Suprafaţa celulară prezintă receptori pentru transferină. Transferina (compusă din apotransferină şi ionul de Fe) este endocitată şi ajunge în endozomii timpurii. pH-ul scăzut eliberează Fe din transferină iar apotransferina rămâne legată de receptorul pentru transferină. Ansamblul receptor-transferină este reciclat la suprafaţa celulei. La suprafaţa celulei, pH-ul devine fiziologic (7) şi apotransferina se desprinde de receptor. Receptorul rămâne la suprafaţa celulei iar apotransferina va cupla alţi ioni de Fe compunând transferina care poate fi din nou legată la receptori. Fe este transportat în lizozomi. Receptorii pentru transferină urmează calea I de reciclare a receptorilor.
Transportul EGF (factorul de creştere a epidermului)
Receptorii pentru EGF sunt reciclaţi prin calea III. Receptorii pentru EGF se acumulează în depresiunile membranare după cuplarea cu EGF. Majoritatea receptorilor nu sunt reciclaţi la suprafaţa celulară după fuziunea veziculelor de endocitoză. Aceşti receptori sunt degradaţi în lizozomi, împreună cu EGF.
FAGOCITOZA
Reprezintă procesul de ingerare al particulelor solide.
Este un proces care consumă potență şi are mai multe etape:
1. opsonizarea – suprafaţa bacteriei prezintă structuri proteice care sunt recunoscute de sistemul imun care secretă anticorpi împotriva lor. Acoperirea bacteriei cu anticorpi reprezintă prima etapă a fagocitozei.
2. chemotactism – etapa în care macrofagele circulante sunt chemate la locul infecţiei (unde sunt bacteriile) prin unele semnale chimice reprezentate de limfokine. La primirea semnalului prin chemokine, macrofagele trimit pseudopode – prelungiri – prin peretele capilarelor sangvine către locul infecţiei
3. adeziune – macrofagele exprimă la suprafaţă receptori pentru bacteriile opsonizate
4. înglobare (înghiţire) macrofagele emit pseudopode care cuprind particula solidă sau bacteria într-o veziculă care trece intracelular şi fuzionează cu lizozomii.
5. digestia – în lizozomi particulele înghiţite sunt digerate, iar lizozomul primar se transformă în lizozom secundar.
EXOCITOZA
Reprezintă procesul invers endocitozei. Este un proces de eliminare prin vezicule a materialelor care nu mai sunt necesare celulei. Este un proces activ care consumă energie. Exocitoza poate fi discontinuă, controlată sau continuă.
Mecanism.
Veziculele de excreţie sau secreţie migrează către periferia celulei ajungând în contact cu suprafaţa internă a plasmalemei. Prin intervenţia ATP, cAMP şi Ca, a microfilamentelor de actină şi miozină, vezicula se deschide la exterior iar conţinutul ei este eliminat la exterior.
jonctiuNILE CELULARE ÎN BIOLOGIA CELULARĂ ŞI MOLECULARĂ
Celulele reprezintă "cărămizile" din care sunt constituite organismele multicelulare. Aceste celule sunt reunite prin joncţiuni care se stabilesc între celule sau între celule şi matricea extracelulară secretată de acestea.
Arhitectonica tisulară poate fi privită din punct de vedere mecanic: celulele care compun un ţesut posedă o reţea citoscheletală tridimensională care este conectată la elementele matricei extracelulare sau la elementele citoscheletale ale altor celule prin intermediul unor complexe joncţionale cu o structură şi o funcţionalitate variată. Totuşi nu poate fi ignorată implicarea, din ce în ce mai studiată, joncţiunilor în mecanismele transducţiei semnalelor biologice.
Majoritatea covârşitoare a joncţiunilor poate fi întâlnită la nivelul epiteliilor, unde îndeplinesc diferite funcţii şi unde pot fi clasificate după criterii funcţionale.
CLASIFICAREA FUNCŢIONALĂ A JONCŢIUNILOR
1. Joncţiuni ocluzive (joncţiuni strânse)
2. Joncţiuni de ancorare
a. cu situsuri de ataşare a filamentelor de actină
- joncţiuni de adezivitate între celule (aderenţe în centură)
- joncţiuni de adezivitate între celule şi matricea extracelulară
- joncţiuni septate (numai la nevertebrate)
b. cu situsuri de ataşare a filamentelor intermediare
- joncţiuni celulă-celulă (desmosomi)
- joncţiuni celulă-matrice (hemidesmosomi)
3. Joncţiuni de comunicare:
a. joncţiuni gap
b. sinapse chimice
c. plasmodesmata (numai la plante)
1. Joncţiunile strânse joacă rolul unor bariere dotate cu permeabilitate selectivă care separă două medii fluide de o parte şi de alta a două celule aflate în contact. Împreună cu joncţiunile de adezivitate în bandă formează, la nivelul celulelor epiteliale o unitate funcţională denumită complex |
|
FAQ
Cautare
Membri
Grupuri
Inregistrare
Profil
Mesaje private
Autentificare
