Curs 1 Membrana celulară - Fiziologie Generală 2024-2025 PDF

Catedra de Fiziologie Departamentul III: Științe Funcționale Fiziologie Generală Cursul 1 Fiziologia membranei celulare: mecanisme de transport transmembranar transportul pasiv 2024-2025 ...

Catedra de Fiziologie Departamentul III: Științe Funcționale Fiziologie Generală Cursul 1 Fiziologia membranei celulare: mecanisme de transport transmembranar transportul pasiv 2024-2025  CUPRINS 1. Organizarea morfo-funcţională a membranei celulare 1.1. Lipidele membranare. Rol structural și funcțional 1.2. Proteinele membranare. Rol structural şi funcţional 1.3. Structurile specializate ale membranei 2. Funcţia de transport a membranei celulare 2.1. Transportul pasiv 2.1.1. Difuziunea 2.1.2. Osmoza 2.1.3. Filtrarea 2.1.4. Canalele ionice membranare 2.2. Transportul activ 2.2.1. Transportul activ primar 2.2.2. Pompele ionice 2.2.3. Transportul activ secundar 2  OBIECTIVE În urma parcurgerii cursului, studentul trebuie să: Explice organizarea şi rolul matricei fosfolipidice în permeabilitatea selectivă a membranei Definească criteriile de clasificare şi funcţiile principale ale proteinelor membranare Enumere criteriile generale de clasificare a mecanismelor de transport membranar Definească principalele caracteristici ale transportului pasiv Descrie transportul pasiv prin difuziune şi osmoză Definească şi să descrie caracteristicile generale ale transportul pasiv prin canale ionice Descrie transportul pasiv prin canale ionice voltaj – dependente şi operate de ligand 3  STRUCTURA GENERALĂ A CELULEI Componentele principale ale celulei sunt: ‒ MEMBRANA CELULARĂ ‒ CITOPLASMA ‒ NUCLEUL MEMBRANA CELULARĂ (plasmalemă) - complex molecular lipidoproteic care delimitează celula de mediul extracelular FUNCŢIE PRINCIPALĂ - barieră cu permeabilitate selectivă şi dinamică, care controlează schimburile dintre celulă şi mediul extracelular 4  1. ORGANIZAREA MORFO - FUNCŢIONALĂ A MEMBRANEI CELULARE STRUCTURĂ - modelul “mozaicului fluid lipido-proteic”: Lipide - fosfolipide, colesterol, glicolipide Proteine - glicoproteine pot fi: periferice sau integrale Structuri specializate membranare - microvili, joncţiuni intercelulare LEGENDĂ: 1. glucid, 2. glicoproteină, 3. glicolipid, 4. colesterol, 5. proteină periferică, 6. proteină integrală, 7. filamente ale citoscheletului celular, 8. extremităţi hidrofile ale fosfolipidelor, 9. matrice fosfolipidică, 10. extremităţi hidrofobe ale fosfolipidelor 5  1.1. LIPIDELE MEMBRANARE: ROL STRUCTURAL ŞI FUNCŢIONAL FOSFOLIPIDELE - formează matricea fosfolipidică alcătuită din două straturi monomoleculare. Fiecare strat prezintă:  o extremitate hidrofilă spre porţiunea periferică a membranei  o extremitate hidrofobă spre porţiunea mijlocie a membranei  un miez hidrofob care restricţionează pasajul liber al substanţelor COLESTEROLUL - este dispus în interiorul matricei fosfolipidice  asigură flexibilitatea şi stabilitatea membranei  contribuie la caracterul selectiv al permeabilităţii membranei GLICOLIPIDELE - intră în structura învelişului celular numit “glicocalix” sau “atmosfera pericelulară”  stabilesc contacte cu structuri ale mediului extracelular 6  FUNCŢIILE MATRICEI FOSFOLIPIDICE (a) ASIGURĂ PERMEABILITATEA SELECTIVĂ A MEMBRANEI membrana este permeabilă pentru molecule liposolubile mici, nepolare:  gaze respiratorii (O2, CO2)  acizi graşi  glicerol  hormoni steroizi  uree  etanol membrana este impermeabilă pentru:  molecule mari (glucoză, aminoacizi)  molecule mici polare (ioni) membrana este parţial permeabilă pentru apă 7  FUNCŢIILE MATRICEI FOSFOLIPIDICE (b) SURSĂ DE MESAGERI INTRACELULARI Fosfatidilinozitol - 4,5 - bifosfat (PIP2) Fosfolipaza C membranară MESAGERI INTRACELULARI IP3 (inozitoltrifosfat) DAG (diacilglicerol) IP3 stimulează eliberarea Ca2+ din reticulul endoplasmatic  reglarea contracţiei fibrei musculare netede DAG activează proteinkinaza C membranară  activarea enzimelor intracelulare care reglează metabolismul şi secreţia celulară 8  FUNCŢIILE MATRICEI FOSFOLIPIDICE (c) SURSĂ DE MESAGERI EXTRACELULARI Fosfolipide membranare Fosfolipaza A2 membranară ACID ARAHIDONIC Calea ciclooxigenazei Calea lipooxigenazei PROSTAGLANDINE (PG) TROMBOXANI (Tx) LEUCOTRIENE (LT) PGI2 (prostaciclina) TxA2  Vasodilataţie  Vasoconstricţie  Răspuns inflamator  Inhibă aderarea şi  Stimulează aderarea şi  Contracţia musculaturii agregarea trombocitelor agregarea trombocitelor netede bronşice 9  1.2. PROTEINELE MEMBRANARE: ROL STRUCTURAL ŞI FUNCŢIONAL reprezintă jumătate din masa membranei reprezintă elementul activ care determină proprietăţile şi funcţiile specifice ale membranei CLASIFICARE În funcţie de relaţia cu matricea fosfolipidică se descriu: proteine periferice (extrinseci) proteine integrale (intrinseci) 10  (a) PROTEINELE PERIFERICE  sunt slab ancorate de matricea fosfolipidică prin forţe electrostatice  au mobilitate mare în planul membranei ROLURI în principal rol de enzime membranare:  externe: acetilcolinesteraza (AChE) de la nivelul membranei postsinaptice hidrolizează acetilcolina (ACh) în acetat şi colină  interne: adenilatciclaza (AC) generează AMPc (mesager intracelular) stabilesc contacte:  externe: cu componente ale matricei extracelulare  fixează celula de structurile extracelulare  interne: cu citoscheletul celular  menţine forma celulei şi participă la mişcările celulare 11  (b) PROTEINELE INTEGRALE  străbat întreaga matrice de pe o faţă pe alta  au o structură asimetrică  sunt puternic ancorate de matricea fosfolipidică  au o mobilitate mai redusă în planul membranei ROLURI proteine canal pentru ioni şi apă proteine transportoare (“carrier”) proteine receptori membranari proteine de ataşare intercelulară proteine de recunoaştere intercelulară 12  1.3. STRUCTURILE SPECIALIZATE ALE MEMBRANEI DEFINIŢIE: sunt prelungiri ale citoplasmei acoperite de plasmalemă 1. MICROVILII sunt extensii în “deget de mănuşă” situate la polul apical al celulei măresc suprafaţa de schimb la nivelul epiteliul intestinal şi renal 2. JONCŢIUNI INTERCELULARE sunt structuri complexe care asigură contactul dintre două celule se clasifică în:  joncţiuni strânse (“tight”), impermeabile  joncţiuni largi sau conexoni (“gap”)  joncţiuni de ancorare (desmozomi) 13  2. FUNCŢIA DE TRANSPORT A MEMBRANEI CELULARE DEFINIŢIE - reprezintă procesul de traversare a substanţelor prin membrana celulară CLASIFICARE în funcţie de dimensiunea substanţei:  sisteme de microtransfer (micromolecule)  sisteme de macrotransfer (macromolecule) realizează transportul vezicular în funcţie natura forţelor care asigură transferul micromoleculelor:  transport pasiv  transport activ 14  2.1. TRANSPORTUL PASIV CARACTERISTICI GENERALE este spontan are loc fără consum de energie (ATP) se desfăşoară sub acţiunea unor forţe fizice şi în sensul reducerii unor gradiente:  de potenţial electrochimic  de presiune osmotică  de presiune hidrostatică MECANISME DE TRANSPORT PASIV Difuziunea Osmoza Filtrarea 15  2.1.1. DIFUZIUNEA DEFINIŢIE: transportul substanţelor printr-o membrană permeabilă pe baza gradientului electrochimic Gradientul chimic - asigură difuziunea substanţei dinspre partea cu concentraţie mai mare spre partea cu concentraţie mai mică Gradientul de potenţial electric - asigură difuziunea ionilor către faţa membranei încărcată electric cu sarcina de semn contrar 16  2.1.1. DIFUZIUNEA EXEMPLU: difuziunea K+ prin membrana neuronală în repaus 1. Concentraţia K+ intracelular = 140 mEq/l, iar K+ extracelular = 4 mEq/l  pe baza gradientului chimic are loc difuziunea K+ dinspre interiorul spre exteriorul celulei = eflux de K+ 2. Membrana este pozitivă la exterior şi negativă la interior  pe baza gradientului electric are loc difuziunea K+ dinspre exteriorul spre interiorul celulei = influx de K+ 17  MECANISME DE TRANSPORT PRIN DIFUZIUNE (a) Difuziunea simplă direct prin matricea fosfolipidică  molecule de gaz (O2 şi CO2)  molecule liposolubile (uree, etanol, hormoni steroizi, etc.)  apă (în proporţie redusă) (b) Difuziunea simplă prin canale Difuziunea simplă Canale ionice de Na+, K+, Ca2+ şi Cl-  voltaj - dependente  operate de ligand  operate mecanic Canale de apă (acvaporine) - operate de ligand RATA difuziunii simple şi prin canale depinde de:  permeabilitatea membranei  mărimea gradientului electrochimic Difuziunea prin canale  mărimea suprafeţei de schimb ionice 18  MECANISME DE TRANSPORT PRIN DIFUZIUNE (c) Difuziunea facilitată  asigură transportul pasiv al substanţelor organice (ex: glucoza, aminoacizi)  necesită o proteină “carrier” specifică  viteza de transfer este crescută  transportul este limitat de capacitatea transportorului până la o valoare maximă (Tmax)  poate fi influenţată de substanţe biologic active  insulina creşte de 10 - 20 ori difuziunea facilitată a glucozei prin creşterea numărului de proteine transportoare (GLUT) RATA difuziunii facilitate depinde de:  mărimea gradientului  capacitatea transportorului (valoarea Tmax) 19  2.1.2. OSMOZA DEFINIŢIE - difuziunea netă a APEI, printr-o membrană semipermeabilă, pe baza gradientului de presiune osmotică de la concentraţie mică la concentraţie mare Membrana semipermeabilă  este permeabilă pentru solvent = APA  este impermeabilă pentru solviţi = particule osmotic active Soluţia osmotic activă - conţine solviţi care atrag apa: NaCl, Glucoză, Uree, Proteine PARAMETRII Concentraţia osmotică (Cosm) = numărul de particule osmotic active dizolvate în unitatea de volum În plasmă Cosm = 285 – 295 mOsmol/l Presiunea osmotică (Posm) = forţa care se opune trecerii apei (osmozei) printr-o membrană semipermeabilă În plasmă Posm = 7,6 atm sau 5776 mm Hg 20  2.1.3. FILTRAREA DEFINIŢIE: reprezintă transportul apei şi a substanţelor micromoleculare prin membrane permeabile, pe baza gradientului de presiune hidrostatică Presiunea hidrostatică (Ph)  presiunea exercitată de o coloană de lichid pe suprafaţa de schimb  gradientul de Ph asigură transferul apei şi a substanţelor micromoleculare dinspre partea cu Ph mai mare spre partea cu Ph mai mică Ph =  x g x h ρ = densitatea lichidului g = acceleraţia gravitaţională h = înălţimea coloanei de lichid 21  2.1.4. CANALELE IONICE MEMBRANARE DEFINIŢIE: proteine integrale care asigură transportul pasiv al ionilor în sensul gradientului electrochimic CLASIFICARE (a) În raport cu dinamica Canale ionice de “scurgere” care asigură un flux continuu de ioni Ex: canalul de “scurgere” de Na+ şi K+ Canale ionice controlate de porţi care prezintă configuraţii moleculare tranzitorii echivalente unei stări funcţionale (canal deschis sau canal închis, în anumite momente de funcționare a celulei) Ex: canale de Na+, K+, Ca2+, Cl- 22  2.1.4. CANALELE IONICE MEMBRANARE (b) În raport cu selectivitatea canalului Canale selective - pentru 1 ion (ex: Na+, K+, Ca2+, Cl-) Canale parţial selective - pentru 2 ioni (ex: Na+ şi K+, Na+ şi Ca2+) Canale neselective - pentru 3 sau mai mulţi cationi (ex: canalele cationice pentru Na+, K+, Ca2+) SELECTIVITATEA canalului este condiţionată de:  sarcina ionului  mărimea ionului  gradul de hidratare a ionului (c) În raport cu factorul care condiţionează dinamica (canal închis/deschis): Canale voltaj - dependente Canale operate de ligand Canale operate mecanic (de întindere - în celulele auditive din canalul cohlear, deformarea mecanică a cililor deschide canale ionice) 23  I. CANALELE IONICE VOLTAJ - DEPENDENTE Variaţia (modificarea) de potenţial transmembranar induce modificările proteinei canal (a) CANALELE RAPIDE DE Na+ DISTRIBUŢIE: pe membrana neuronală şi a fibrei musculare scheletice şi miocardice PARTICULARITĂŢI STRUCTURALE sunt puternic încărcate negativ prezintă două porţi:  de activare (m)  de inactivare (h) STĂRI FUNCŢIONALE  canal în repaus - poarta m închisă şi poarta h deschisă  canal activat - ambele porţi deschise  canal inactivat - poarta m deschisă şi poarta h închisă 24  (a) CANALELE RAPIDE DE Na+ DINAMICA PORŢILOR activarea canalului rapid de Na+ este determinată de atingerea potenţialului transmembranar de prag (- 55 mV)  influx de Na+ depolarizant (faza ascendentă a potenţialului de acţiune) condiţionează excitabilitatea membranei  canalele de Na+ activate sau inactivate  membrană inexcitabilă  canalele de Na+ în stare de repaus  membrană excitabilă 25  (b) CANALELE DE K+ DISTRIBUŢIE: membrana tuturor structurilor excitabile PARTICULARITĂŢI STRUCTURALE nu sunt încărcate electric negativ au o singură poartă n - de activare DINAMICA PORŢILOR - mai lentă activarea canalului de K+ apare la depolarizarea completă a membranei celulare (potențial transmembranar de +30 mV)  eflux de K+ repolarizant (faza descendentă a potenţialului de acţiune) 26  (c) CANALELE LENTE DE Ca2+ CARACTERISTICI sunt în general parţial selective (Ca2+  Na+) se activează în urma depolarizării membranei determină un influx de Ca2+ implicat în reglarea:  excitabilităţii celulare  contracţiei musculare  secreţiei celulare Tip CANAL Distribuţie Rol N (neuronal) Membrana neuronală presinaptică Exocitoza veziculelor cu neurotransmiţători L (long lasting) Fibra musculară cardiacă şi netedă Cuplarea excitaţie/contracţie T (transient) Celula pacemaker cardiacă Automatismul cardiac 27  (d) CANALELE DE Cl- CARACTERISTICI se găsesc în membrana fibrei musculare striate se deschid în urma depolarizării membranare determină un influx de Cl- rol de stabilizare a potenţialului de repaus 28  II. CANALELE IONICE OPERATE DE LIGAND O substanţă biologic activă numită LIGAND (neurotransmiţător, hormon, mesager intracelular) se fixează pe un situs specific de la nivelul porţilor și determină modificări conformaţionale ale proteinei (a) Canalele operate de LIGANZI EXTRACELULARI CARACTERISTICĂ: canalul intră în structura unor receptori ai membranei postsinaptice, iar ligandul este un mediator chimic EXEMPLE: Tip CANAL Ligand Sinapse Efect Excitatorii din SNC şi SNP Canale de Na+ ACh influx de Na+ depolarizant Placa motorie GABA Canale de Cl- Inhibitorii din SNC influx de Cl- hiperpolarizant Glicină SNC = sistem nervos central; SNP = sistem nervos periferic; ACh = acetilcolină; GABA = acid gamaaminobutiric 29  Tip CANAL Ligand Sinapse Efect Excitatorii din SNC şi SNP Canale de Na+ ACh influx de Na+ depolarizant Placa motorie GABA Canale de Cl- Inhibitorii din SNC influx de Cl- hiperpolarizant 30 Glicină  (b) Canale operate de LIGANZI INTRACELULARI CARACTERISTICI sunt canalele localizate în membrana celulelor epiteliale, iar ligandul este un mesager intracelular (AMPc, Ca2+) sunt canale localizate în membrana reticulului endoplasmatic, iar ligandul este un mesager intracelular (IP3) Tip CANAL Ligand Localizare Celule epiteliale (glande exocrine, mucoasa Canal de Cl- Ca2+ intestinală şi a căilor aerifere) Celule epiteliale (nefrocit, mucoasa intestinală, Canal de apă AMPc glande exocrine) Canal de Ca2+ IP3 Membrana reticulului endoplasmatic 31  (c) Canale operate de RECEPTORI prin proteinele G (proteine intermediar în transmiterea semnalelor spre celulă) CARACTERISTICĂ - sunt canale de K+ sau de Ca2+ care pot fi activate astfel: direct – de către subunitatea  a proteinei G - pentru canalul de K+ indirect - pentru canalul de Ca2+, subunitatea  a proteinei G activează întâi enzime membranare generatoare de mesageri intracelulari, iar aceștia vor activa apoi canalul:  activarea enzimei adenilatciclaza va genera mesagerul AMPc  activarea enzimei guanilatciclaza va genera mesagerul GMPc 32  (d) Canale intercelulare - CONEXONII CARACTERISTICI se găsesc la nivelul joncţiunii permeabile dintre 2 celule reprezintă sinapse electrice în țesuturi musculare cardiace şi netede sunt permeabile pentru molecule cu diametru mic  apă, electroliţi, mesageri intracelulari, produşi de metabolism 33 34  MESAJE PENTRU ACASĂ MEMBRANA CELULARĂ - complex molecular lipidoproteic care delimitează celula de mediul extracelular, cu funcție de barieră cu permeabilitate selectivă şi dinamică, care controlează schimburile dintre celulă şi mediul extracelular TRANSPORTUL PASIV - este spontan, fără consum de energie, sub acţiunea unor forţe fizice şi în sensul reducerii unor gradiente - de potenţial electrochimic, de presiune osmotică, de presiune hidrostatică MECANISME DE TRANSPORT PASIV – difuziunea, osmoza, filtrarea TIPURI DE CANALE DE TRANSPORT – voltaj-dependente, operate de liganzi (intra sau extracelulari), operate mecanic și conexoni (canale intercelulare) 35