Nicio partea a acestui material nu poate fi utilizată sau reprodusă sub nicio formă și prin

niciun fel de mijloc – electronic sau mecanic – inclusiv prin fotocopiere, înregistrare

magnetică sau orice alt sistem de stocare și de redare a informației, fără permisiunea

explicită scrisă a deținătorului de Copyright în persoana prof.univ. Mihai Chiriță

Iași, 23.12.2012

DIFUZIA PRIN MEMBRANE

Membrană

permeabilă

Membrană

semipermeabilă

Membrană

selectiv

permeabilă

Membrană

ireciproc

permeabilă

Permeabilă atât pentru

solvent cât pentru solvit

Permite numai trecerea solventului

Permeabilitate diferită pentru diverşi solvenţi

- cazul majorităţii membranelor biologice -

Permeabilitate diferită în cele două sensuri

pentru acelaşi solvit

MEMBRANE – clasificare dpdv al permeabilităţii

Difuzia particulelor neîncărcate printr-o membrană permeabilă

δ – grosimea membranei

P – permeabilitatea membranei

C1 , C2 – concentraţiile iniţiale din cele două

compartimente

C – concentraţia la echilibrul termodinamic

Unde:

C

C1

C2

C

P

δ

x

1. Difuzia particulelor neîncărcate

C

C1

C2

C

P

δ

C1 = const

C2 = const

Gradientul de concentraţie

în membrană va fi:

21CCC

Legea întâi a lui Fick devine:

CD

dt

dvm

Dm – coeficient de difuzie prin membrană

P – permeabilitatea membranei

Difuzia pe o direcţie X normală

pe suprafaţa membranei

X

PDm

Coeficientul de permeabilitate:

CPdt

dv

(1)

(2) (3)

(4)

2. Difuzia ionilor

Membrană egal permeabilă

pentru toţi ionii din soluţie

Nu se impune o diferenţă de potenţial

între cele două compartimente

Difuzia particulelor nu diferă de

cea a particulelor neîncărcate

Difuzia are loc în sensul

gradientului de concentraţie

La echilibru se ajunge la

egalizarea fiecărui ion în parte

1. Membrană permeabilă

2.1. Membrană permeabilă – diferenţă de potenţial

C

C0

X

V1 ( - ) V2 ( + )

Cl

Cl

K

K

KCl KCl

Cl

K

KP

ClP

V2 > V1

PK = PCl

Echilibrul se va stabili atunci când fluxurile conjugate ale gradientului de

concentraţie şi al gradientului electric ( sensuri contrare) se vor egala.

12

ClCl

12

KK

În cazul general energia poteţială chimică

(potenţialul chimic) se exprimă prin relaţia:

CRTWC

log0

Energia potenţială electrică

se exprimă prin relaţia:

VnFWE

Unde:

V – potenţialul electric al compartimentului respectiv

F – numărul lui Faraday

n – valenţa ionului – se consideră ca având semnul (+ )

pentru ionii pozitivi şi semnul (-) pentru ionii negativi

Potenţialul electro-chimic pentru fiecare compartiment şi pentru fiecare ion în parte

se exprimă astfel:

VnFCRTWWWEC

log0

(5)

(6)

(7)

În condiţia în care diferenţa dintre energiile

potenţiale dintre cele 2 compartimente este nulă:

0log

2

1

1212

C

CRTnFVVWWW

2

1

12log

C

C

nF

RTVV

2

1

12log

K

K

F

RTVV

Pentru fiecare ion în parte se obţine:

1

2

2

1

12loglog

Cl

Cl

F

RT

Cl

Cl

F

RTVV

1

2

2

1

Cl

Cl

K

K

Echilibrul de

membrană Donnan

(8)

(9)

(10)

Echilibrul Donnan se referă la raportul concentraţiilor

pentru ionii perfect difuzibili prin membrană

Egalitatea rapoartelor se extinde pentru toate

speciile moleculare ţinând cont de valenţă

1

2

2/1

2

2

1

2

2

1

2

1

Cl

Cl

Ca

Ca

Na

Na

K

K

Generalizând:

jn

j

jin

i

i

V

n

j

n

j

V

n

i

n

i

A

A

C

C

1

2

2

1

Ci = conc. cationi

Aj = conc. anioni

ni , nj = valenţele

(11)

(12)

2.2. Membrană selectiv permeabilă

V1-

+

+

+

+

+

+

+

+

V2+

-

-

-

-

-

-

-

-

NaCl NaCl

Cl-

Na+

PCl

PNa

C

X

1 2

C1a

C2

C1

C2a

C1a , C2a – conc. iniţiale NaCl

C1 , C2 – conc. NaCl la echilibru

V1 – V2 – potenţial de joncţiune din

cauza permeabilităţii inegale prin

membrană a celor doi ioni

PNa , PCl – permeabilitatea

membranei pt ioni (Pna < PCl )

1. Mobilitatea sodiului în membrană este mai mică decât cea a clorului

2. Ionii de clor difuzează mai rapid

3. Pe faţa 2 a membranei se acumulează sarcină negativă

4. Acumularea de sarcină are loc numai pe suprafaţa membranei, soluţiile din

cele două compartimente păstrându-şi neutralitatea electrică

5. Difuzia are lor numai din cauza gradientului de concentraţie de la 1 spre 2

6. Apare o diferenţă de potenţial numită potenţial de difuzie sau potenţial

de joncţiune

7. Gradientul de potenţial astfel creat va favoriza difuzia Na+

8. La echilibru (corespunzător egalităţii potenţialelor electro-chimice nu se va

atinge egalizarea concentraţiilor

9. Există o diferenţă de potenţial între compartimente care depinde de

permeabilităţi

2

1

21log

C

C

F

RT

PP

PPVV

ClNa

ClNa

(13)

• Studiază repartiţia ionilor între două soluţii separate printr-o

membrană semipermeabilă

• Produsele concentraţiilor ionilor de semn contrar din cele 2 compartimente vor fi egale la echilibru

• Dacă nu toţi ionii sunt la fel de mobili, adică nu sunt difuzabili din cauza caracterului lor coloidal, se remarcă o inegalitate în repartiţia lor la echilibru

• Colagenul îndeplineşte rolul de ion nedifuzabil prin membrane semipermeabile

• În sistemul colagen – souţie de HCl colagenul joacă rol şi de membrană semipermeabilă

• Când colagenul reacţionează cu un acid sau o bază, există condiţii pentru stabilirea

unui echilibru de membrană Donnan între colagen şi soluţia externă, fiindcă în

colagen sunt ioni care nu difuzează, iar în soluţie, ioni care difuzează

http://www.geocities.com/bioelectrochemistry/donnan.htm

3. Teoria echilibrului de membrană Donnan

Sistemul

considerat

Ioni

nedifuzibili

Ioni difuzibili

C l

C l

C l

C l

C l

C l

C l

C l

C l

H

H

H

H

H

H

H

H

H

R N H 3+

Z

C l = Z

H = Y

C l =Y

H = X

Cl = X

X2 = Y ( Y + Z ) Ecuaţia echilibrului de

membrană Donnan

R N H 3

+

R N H 3

+

R N H 3

+

R N H 3

+

C l

C l

C l

C l

C lC l

H

H

H

H

R N H 3

+

R N H 3

+

R N H 3

+

R N H 3

+ R N H 3

+

R N H 3

+

R N H 3

+

C l

C lC l

C l

C l

C l

C l

C lC l

Piele

gelatină

Faza I

Soluţie

HCl

Faza II

DIFUZIE + OSMOZĂ = PRESIUNE COLID-OSMOTICĂ

π

C

1

2

1 – variaţie liniară conf. legii Van’t Hoff

2 – variaţie reală conf. π =AC+BC2

Dacă in sistem se gasesc ioni

nedifuzibili s-a constatat că

presiunea osmotică evoluază

după o relaţie diferită de aceea

a lui Van’t Hoff :

2BCAC

Contribuţia proteinelor din organism la

presiunea osmotică totală, numită

presiune oncotică, este foarte mică.

(14)

PC = presiunea hidrostatică

capilară

PT = presiunea hidrostatică

tisulară

C = presiune oncotică plasmatică

T = presiune oncotică tisulară

Presiunile hidrostatice şi oncotice care determină

deplasarea de fluide şi electroliţi prin transcapilaritate şi

expresia gradientului net de presiune (GNP).

GNP0 Filtrare

GNP0 Reabsorbţie

Presiunea osmotică şi presiunea oncotică (coloid-osmotică) a plasmei sanguine

reprezintă un factor important în menţinerea echilibrului hidroelectrolitic la

nivelul tuturor compartimentelor organismului.

(15) GNP

Schema organizării structurii unei

celule vegetale (Eukarya,

Enciclopedia Florei şi Faunei din

România)

TRANSPORTUL

în celule

TRANSPORTUL

în celule

Schema organizării structurii unei celule

animale (Eukarya, Enciclopedia Florei şi

Faunei din România) cu dimensiunii cuprinse

in intervalul 10-30μm.

Evoluţia înseamnă şi dezvoltarea unor mecanisme eficiente de

transfer de masă şi de energie în interiorul celulelor, între

citoplasmă şi organitele celulare

Celulele folosesc energia ionilor pentru bioreacţii şi

pentru transmiterea de informaţii

Prin procesul numit endocitoză se transportă moleculele

mai mari care nu pot traversa membrana celulară

Proteinele sunt agenţii specializaţi de transport ai diverselor specii chimice

Organitele celulare din matricea citoplasmatică se pot observa la microscopul optic

(mitocondrii, complexul Golgi, centriolul celular, ergatoplasma) şi altele se pot

vedea numai cu microscopul electronic (lizozomi, peroxizomi, reticulul

endoplasmatic neted şi rugos, microfilamente, microtubuli, ribozomi).

Membrana citoplasmatică este impermeabilă

pentru moleculele mari şi prezintă incluziuni

proteice şi receptori pentru transport selectiv

Membrana celulară (membrana plasmatică,

plasmalema) are o grosime de 6–9 nm,

delimitează conţinutul celular şi reprezintă o

barieră selectivă pentru traversarea

moleculelor şi ionilor, este permeabilă pentru

gaze şi pentru moleculele mici nepolare.

4. Membrana celulară

Structura schematică a membranei celulare.

Rolul membranei celulare este:

participarea în procesele metabolice

transportul de substanţe

asigurarea homeostaziei

protejarea spaţiului celular

conferirea unei forme celulei

echilibrul osmotic

permeabilitatea selectivă Membranele biologice au o structură în general

identică, de mozaic fluid, lipidoproteic.

Este un fluid (biocompozit) structurat alcătuit dintr-un

bistrat lipidic penetrat total sau parţual de molecule proteice.

Între lipidele şi proteinele membranare există, mai ales, legături necovalente.

Nicio partea a acestui material nu poate fi utilizată sau reprodusă sub nicio formă și prin

niciun fel de mijloc – electronic sau mecanic – inclusiv prin fotocopiere, înregistrare

magnetică sau orice alt sistem de stocare și de redare a informației, fără permisiunea

explicită scrisă a deținătorului de Copyright în persoana prof.univ. Mihai Chiriță

Iași, 23.12.2012

Evoluţia modelelelor

de reprezentare a

membranei celulare

Modelul de mozaic fluid al membranei celulare

Dublul strat lipidic sau bistratul lipidic al membranelor celulare

este o componentă fundamentală, cu grosimea de 5 nm.

Are structură fluidă şi conferă membranelor proprietatea de membrană impermeabilă

pentru moleculele hidrosolubile.

Membrana celulară este formată din lipide şi proteine.

Proteinele membranare, asociate dublului strat lipidic, asigură funcţionarea membranei.

Membrana celulară conţine trei tipuri de lipide:

fosfolipide glicolipide

steroli.

Fosfolipidele şi glicolipidele au un capăt hidrofil

şi altul hidrofob

Colesterolul, un sterol, conferă membranei

celulare rigiditatea, fiind poziţionat între

capetele hidrofobe ale lipidelor,

împidicându-le să se contracte.

Fluiditatea bistratului depinde de

conţinutul în colesterol al membranelor

concentraţiile mari de colesterol

scad fluiditatea bistratului

Diagramă a membranei celulare

http://en.wikipedia.org/wiki/Ion_channel

Membrana celulei sau membrana plasmatică serveşte ca interfaţă între mecanismele

din interiorul celulei şi fluidul exteior care scaldă toate celulele.

Ea este o peliculă foarte subţire şi flexibilă, care acoperă şi delimitează compartimentul

citoplasmatic, controlează schimburile cu mediul înconjurător, se comportă ca un sistem de

recepţie–transmitere şi constituie substratul adezivităţii celulare.

M.Chiriţă,Tratat de biomolecule, Vol.1, Cap.2, p.79

Totalitatea lipidelor membranei celulare sunt localizate în plasmalemă, sub

forma unei foiţe continui, hidrofobe.

Lipidele din membrana plasmatică sunt în primul rând fosfolipide (mai

ales fosfatidil etanolamine), sfingolipide (17%) şi colesterol (28%).

Există 2 categorii:

Proteine integrale (intrinseci) – monotopice, uni- sau multi pasaj, multisubunitare

Proteine periferice (extrinseci) – ancorate în lipide

4.1. Proteinele Membranare

Proteinele membranare reprezintă 50% din greutatea membranelor

celulare şi 75% din greutatea membranelor mitocondriale.

proteinele transmembranare

Proteinele sunt înglobate în masa lipidică a membranei

proteine membranare periferice

sunt asociate suprafeţei membranei

proteine legate prin lipide

proteine integrale

pot penetra membrana în întregime

datorită caracterului lor amfipatic

Regiunea centrală

localizată în interiorul

membranei are caracter

hidrofob.

Domeniile hidrofile se găsesc pe faţa

extracelulară şi citosolică a

membranelor, în contact cu grupele

polare ale moleculelor lipidice.

Lanţurile polipeptidice ale acestor proteine trans-membranare, în formă de

α–helixuri, pot realiza unul sau mai multe pasaje prin bistratul lipidic.

Proteinele integrale – intrinseci

- au unul sau mai multe segmente

incorporate în bistratul lipidic

- majoritatea proteinelor conţin

reziduuri aromatice (hidrofobe), care

interacţionează cu lanţurile fosfo-

lipidice, ancorându-le.

- cea mai mare parte a proteinelor

integrale trec prin tot bistratul lipidic

- interiorul canalului este hidrofil,

ceea ce face ca aceste proteine să fie

optime pentru transportul apei sau

ionilor

- la toate proteinele transmembranare

cunoscute, domeniile ce traversează

membrana sunt α-helixuri sau benzi β

multiple

Moleculele tipice sunt fosfolipidele care prezintă un

capăt polar-hidrofil şi două catene nepolare-hidrofobe

Straturile bilipidice sunt modele de membrane care probează permeabilitate limitată.

O2, N2, CO2, apa şi moleculele organice mici le permează cu uşurinţă.

Membranele lipidice sunt virtual impermeabile pentru ioni.

4.2. Stratul bilipidic

s

s

sc

Jk

'

Din ecuația (92 – tr.masă) permeabilitatea unui solut printr-o barieră biologică se poate

scrie raportând fluxul total de solut la diferența sa de concentrație transmembranară:

(16)

Unde: este fluxul (unitar) măsurat de solut care odată determinat (experimental)

valoric se poate calcula fluxul specific fiecarui tip de membrană în parte

față de solutul S:

SSSCkJ (17)

Ecuația (17) este cea mai utilizată ecuație pentru determinarea cantitativă a

difuziei pasive a unui ne-electrolit printr-o barieră biologică.

Ecuația (17) poate să descrie și transportul unui ion în absența unui gradient de

potențial electric.

4.2.1. Transport de masă

(18)

Difuzia neelectroliților prin stratul bilipidic poate fi descris de ecuația

(17) în care se notează:

slslsckJ

kSl ca fiind permeabilitatea solutului în faza lipidică

ΔCSl diferența de concentrație a solutului în faza lipidică pe cele 2 fețe ale membranei

Aceste 2 concentrații se exprimă în funcție de coeficientul de partiție a solutului

în zonele adiacente apoase ale membranei (fig.1.):

sas

II

sas

I

sas

II

sl

I

slslcKcKcKccc (19)

Unde: Ks este independent de concentrația solutului și are aceeași valoare pe ambele fețe ale membranei.

Combinând ecuațiile (18) și (19) rezultă:

sasslscKkJ (20)

Film lipidic Faza I Faza II

Potențial chimic

µsI

Potențial chimic

µsII

csaI

csaII

cs

x a 0

cslI

cslII

Fig.1. Potențialul chimic și profilele concentrațiilor solutului ce difuzează printr-o membrană lipidică

Concentrațiile solutului de o parte si de alta a membranei pot fi determinate analitic,

considerând ca ambele medii sunt omogene (agitare de ex.).

(21) ssl

sa

s

sKk

c

Jk

Ecuația (21) explică corelația dintre permeabilitatea experimentală a solutului

și coeficientul de partiție.

Unde coeficientul pe partiție Ks se scrie:

sa

sl

sc

cK

(22)

Coeficientul de partiție are valori mai mici pentru soluții care

interacționează mai puternic cu apa.

Trecere în revistă a funcţiilor membranare

Refacerea electrică (repolarizarea) are loc prin activitatea

pompei de Na+-K+ (pompă reogenică).

Potențialele electrice celulare se datoresc repartizării ionilor de

o parte și de alta a membranei și mișcărilor acestora prin canale.

Potențialul de repaus cu o valoare în jur de

90mV se datorește în special K+ pentru care

membrana este mai permeabilă. Potențialul de acțiune se datorește Na+ care

după excitarea celulei pătrunde masiv în

interiorul acesteia producand depolarizarea.

Transportul prin membrană poate fi pasiv în sensul gradienților electrochimici

(difuziunea simplă și facilitată sau prin proteine canal) sau transport activ

impotriva acestor gradienți și care este posibil numai prin mecanisme

consumatoare de energie.

4.2.2. Analogie cu circuite electrice

Multe dintre proprietățile materialelor și a variabilelor de transport asociate

“curgerii” ionilor prin bariere biologice prezintă analogii de proprietăți și

variabile ce descriu circuitele electrice (Tab.1.)

Transport de ioni Circuit electric

Flux de ioni Densitatea de curent

Potențial de membrană Diferență de voltaj

Mobilitatea ionilor Conductanță

Pompe reo(electro)genice Sursă de curent

Capacitatea membranară Capacitatea unui capacitor

Tabel 1. Paralele între transportul ionic și circuitele electrice

Principalele diferențe dintre fluxurile biologice de ioni și circuitele electrice sunt:

1. Atât curentul electric cât și cel biologic sunt guvernate de

diferențe de potențial dar curenții biologici determinați și de

diferențe de concentrație

2. În sistemele biologice curentul (sarcina electrică) este purtat

de mai mult decât o singură specie chimică

3. Mediul biologic este extrem de rar la fel de linear ca analogul său electric.

dx

d

RT

cFz

dx

dcFDzI

SSS

SSS

dcS/dx gradientul de concentraţie

dψ/dx gradientul de potenţial electric

Ecuaţia Nernst - Planck, numită şi ecuaţia de electrodifuzie, descrie fluxul de ioni

printr-o membrană, sub influenţa atât a gradientului de concentraţie ionică,

cât şi a potenţialului electric.

Ec.(72) vezi tr.masă

(23)

iii

EGI

Pentru un ion i se poate scrie :

(24)

Unde:

Ii - densitatea de curent transportat de ionul i

Gi - conductanța membranară pentru ionul i

ΔΨ - diferența de potențial membranar

Ei - potențialul lui Nernst pentru ionul i

ΨI

Membrană

Gi ΨII

Ei

Faza II Faza I

Fig.2. Circuit echivalent pentru o

singură specie ionică

Când Ei=ΔΨ sistemul este în echilibru

și Ii respectiv Ji sunt egale cu zero.

Nicio partea a acestui material nu poate fi utilizată sau reprodusă sub nicio formă și prin

niciun fel de mijloc – electronic sau mecanic – inclusiv prin fotocopiere, înregistrare

magnetică sau orice alt sistem de stocare și de redare a informației, fără permisiunea

explicită scrisă a deținătorului de Copyright în persoana prof.univ. Mihai Chiriță

Iași, 23.12.2012

Membrană

ΨI ΨII

ECl

Faza II Faza I

EK

ENa

GK

GNa

GCl

Fig.3. Circuit echivalent ioni multipli

ClClKKNaNa

pEGEGEGI (25)

Considerând membrna ca pe un circuit deschis (c.d.) :

)0(..

p

i

ii

ClKNa

ClClKKNaNa

dcI

G

EG

GGG

EGEGEG(26)

Curentul pasiv total prin membrană din fig.3. se scrie:

(Vezi neuron, axolema, transmisie sinaptică, miofibrile,

transmisie neuro-musculară și excitație ș.a.m.d.)

4.3. Componente celulare

Citosol Lichidul intracelular in care sunt

imersate organitele celulare.

Conţine apă, ioni, gaze dizolvate, molecule

mici polare, proteine şi citoscheletul.

Lichidul intracelular împreună cu

organitele celulare constituie

citoplasma celulară.

Citoplasma este mărginită de membrana celulară şi învelişul nuclear şi este formată din

matricea citoplasmatică sau hialoplasma sau citosolul, care

înconjoară structuri cu organizare şi funcţii caracteristice – organite celulare sau

intracitoplasmatice precum şi molecule ce se depozitează sub formă de incluziuni celulare.

Gh.Chiriţă, M.Chiriţă,Tratat de biomolecule, Vol.1, Cap.2

Nucleul

Obişnuit, în centrul celulei animale

se află nucleul care are rolul de

coordonare a activităţii celulare.

Membrana nucleară este o structură lipoproteică cu o grosime de ordinul zecilor de

nanomeri, care separă nucleul de citoplasma celulei.

Constituie un sistem special de endomembrană alcătuit dintr-o cisternă perinucleară

continuă, străbătută, din loc în loc, de nişte pori (complexul por).

Gh.Chiriţă, M.Chiriţă,Tratat de biomolecule, Vol.1, Cap.2, p.84

Mitocondrie

Învelişul

nuclear

Citoplasma

Veziculă secretoare

Ribozomi

Comlex Golgi

Reticul endoplasm. neted

Por

nuclear

Reticul

endoplasm.

neted

Nucleul

Plasma

Membranară

Reticul endo-

plasm. rugos

Nucleul este delimitat de cisterna perinucleară şi conţine acizii nucleici conjugaţi cu proteinele.

Nucleul este organitul caracteristic celulelor eucariote şi îndeplineşte funcţiile

de stocare a informaţiei genetice, de centru coordonator, de comandă şi control

al activităţii celulare, funcţionând ca un computer chimic prevăzut cu un

program (ADN) şi memorie (ARN)

Gh.Chiriţă, M.Chiriţă,Tratat de biomolecule, Vol.1, Cap.2, p.81

Nucleii celulelor

eucariote conţin, în

funcţie de specie, câţiva

sau mai mulţi cromozomi:

46 la om, 44 la iepure, 42

la şobolan, 34 la vulpe,

16 la albină etc.

Cromozomii sunt baza materială a

eredităţii, fiecare cromozom fiind un

grup ligaturat de gene.

Reticulul endoplasmic se găseşte în toate tipurile de celule în afară de eritrocitele adulte şi

este mai bine reprezentat în celulele angajate în sinteza proteinelor, glucidelor şi lipidelor.

Sunt două tipuri de reticuli endoplasmici: reticulul endoplasmic rugos şi reticulul endoplasmic neted.

Reticulii endoplasmici neted şi rugos ocupă un spaţiu mare în celulă

şi aceasta permite schimburi active pe mari porţiuni ale

citomembranelor sale între formaţiunile componente şi citosol.

Glicolipide

Fosfolipide

Receptor

Colesterol

Glicoproteine

Canal proteic transmembranar

Existenţa celulelor depinde de o permanentă comunicare cu mediul înconjurător.

5. Transportul prin membrana celulară

Se preia din mediul extracelular o serie de

conbustibili metabolici necesari menţinerii vieţii

celulei şi activităţilor ei metabolice. În acelaşi timp

sunt eliminaţi prin membrană în mediul extracelular

o serie de compuşi care nu sunt necesari celulei.

Schimburile prin membrană reglează volumul celular, asigură

menţinerea pH-ului intracelular şi compoziţia ionică la valori

cât mai favorabile activităţii metabolice celulare.

Prin membrana celulară se realizează schimburi

de substanţe între celulă şi mediul exterior,

realizându-se următoarele funcţii importante pentru

economia celulei:

Gh.Chiriţă, M.Chiriţă, Tratat de biomolecule, Vol.1, Cap.2, p.80

Transport de ioni şi molecule mici prin mecanisme

de difuziune sau mecanisme în care sunt implicate

proteinele membranare.

Transportul diferitelor subatanţe prin membrană depinde de caracteristicile substanţei

transportate (masa moleculară, forma, dimensiunile, gradul de ionizare, gradul de

hidratare şi de compoziţia chimică a membranelor, clasificându-se în:

Transport de macromolecule prin

vezicule delimitate de membrane

În fucţie de consumul energetic se disting:

transportul pasiv - fără consum de energie

transportul activ cu consum de energie

prin intermediul ATP

Neelectroliții suficient de hidrofobi

pot traversa membrana celură prin

simpla dezolvare în stratul bilipidic.

Multe principii active trec în acest mod.

În cazul zaharurilor, a aminoacizilor, și al

peptidelor traversarea membranei se face

prin transport facilitat sau prin transport activ

secundar.

Are loc fără consum de energie metabolică,

datorită gradienţilor de concentraţie, de

potenţial electric, de presiune, gravitaţional şi

în sensul acestora.

TRANSPORT PASIV TRANSPORT ACTIV

Necesită consum de energie metabolică, se face

împotriva gradienţilor, este realizat cu molecule

transportoare cu proprietăţi enzimatice

Difuzie simplă prin

stratul bilipidic

Difuzie prin

canale

Difuzie facilitată

de molecule

transportatore

Osmoză

Primar

Secundar

Pompe ionice

Este cuplat cu o reacţie

exergonică ex. hidroliza ATP

Simport Antiport

Ambele substanţe sunt

transportate în acelaşi sens

Substanţele sunt transportate

în sensuri opuse

Este cuplat cu transportul simultan al unei alte

substanţe în sensul gradientului electro-chimic

http://www.ionchannels.org/

TRANSPORTUL PASIV

5.1. Transportul mediat (cu transportatori)

Diferă de difuzia simplă fiind exprimat de o relaţie neliniară între

viteza de transfer şi concentraţia speciilor chimice implicate.

Vit

eza

de

tra

ns

po

rt

La concentraţii mari viteza de transport

devine independentă de concentraţie

Procesul de transfer ajunge la

starea de saturaţie

Saturaţia apare la concentraţii mari ale

speciei transferate atunci când siturile de

transfer sunt în intregime ocupate.

În funcţie de tipul de transport genţi transportori sunt numiţi uniport, simport sau antiport.

5.2. Transportul prin canale

Membranele celulare permit transportul de substanţe dizolvate prin canale hidrofile.

În consecinţă transportul poate avea loc doar în sensul

gradientului electrochimic.

Viteza de transport prin canale poate fi de cca 1000 de ori mai mare decât viteza de

transfer mediată de transportatori.

Proteinele care alcătuiesc canalele sunt selective pentru transportul ionilor.

Canalele de transport pot fi surprinse în 2 stadii opuse: deschise sau închise.

Canalele pot fi comandate pentru a se deschide electric, chimic sau mecanic.

Aceste canale sunt extrem de importante în special pentru

celulele cardiace şi cele nervoase.

5.3. Transportul mediat de receptori

Transportul moleculelor mari (peptide, proteine) prin membrana celulară

este posibil prin intermediul receptorilor === endocitoza.

Legarea macromoleculei

de suprafaţa celulei prin

centrul receptor este

asimilată cu formarea

reversibilă a unui ligand.

Anumiţi receptori difuzează pe suprafaţa

celulei “căptuşind” interior canale

proteice (coated pits) care conţin locuri

de legătură pentru receptori.

Odată ajunse în aceste canale, complecşii ligand+receptor sunt internalizaţi

prin continua formare a unor vezicule (50-150nm) care înclud moleculele.

6. Difuzia simplă prin stratul bilipidic

Particule hidrofile

(ioni şi molecule

polare)

Particule hidrofobe

(molecule nepolare)

La parcurgerea de straturi hidrofile şi hidrofobe

mecanismele de difuzie sunt diferite

pentru:

Solubilitatea unei molecule este diferită în mediul apos şi în membrană

Raportul dintre solubilitatea într-un solvent (ex. membrana lipidică

fluidă) şi solubilitatea în apă se numeşte

coeficient de partiţie solvent-apă (β)

1La un coeficient de partiţie diferit de unitate apare un

salt de concentraţie pe suprafaţa membranei ( Cm )

La interfaţa soluţie de concentraţie C şi membrană concentraţia se exprimă astfel:

CCm

X

δ

1C

2C

11CC

m

22CC

m

C Gradientul de concentraţie în

membrană este:

2121CCCCC

m

Conform legii lui Fick coeficientul

de permeabilitate P este:

m

DP

(27)

(28)

(29)

Apa, oxigenul, bioxidul de carbon şi alte molecule mici

pot traversa membrana celulară prin simplă difuzie

Ex.1. Schimbul de gaze respiratorii în plămâni şi în toate celulele organismului

- Datorită gradienţilor de concentraţie -

Structură

compactă

Membrana este o

barieră extrem de

eficientă în calea

difuziei ionilor care pot

să o traverseze doar

prin transport mediat.

Ex.2a Soluţii izotonice, hipo şi hipertonice

Celule plasate în

apă distilată

Celule plasate în

soluţii saline

concentrate

Celulele se umflă

şi plesnesc

Celulele contractă şi

se sbârcesc

Globule roşii

Nicio partea a acestui material nu poate fi utilizată sau reprodusă sub nicio formă și prin

niciun fel de mijloc – electronic sau mecanic – inclusiv prin fotocopiere, înregistrare

magnetică sau orice alt sistem de stocare și de redare a informației, fără permisiunea

explicită scrisă a deținătorului de Copyright în persoana prof.univ. Mihai Chiriță

Iași, 23.12.2012

Ex.2b Soluţii izotonice, hipo şi hipertonice

Celule vegetale

http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/mtp

1 specie într-un singur sens

Canalele sunt căi de acces ce

permit trecerea ionilor

UNIPORT

Canalele prezintă selectivitate

Canalul ionic poate fi privit ca o enzimă (E) ce formează

tranzitoriu un complex cu ionul ce urmează a fi transportat,

adică substratul (S) din ecuaţia Michaelis-Menten:

21SEESSE

K+

K-

K2 Unde:

S1 şi S2 reprezintă conc. Ionului în cele

două compartimente

K+ şi K- constante de viteză

7. Difuzia prin canale

(30)

Por Φ=2,8Å

Lanţuri proteice

http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/LSD-waterchannel.html

Ex. Aquaporin 1

(AQP1)

Eficienţa trasportului prin canale este extrem de mare –

printr-un singur canal 106-108 ioni/s

Comanda închiderii/deschiderii canalului

se realizează:

Electric Chimic Alte mecanisme

Ex.presiune

Prin modificarea

potenţialului membranar

Ex. Canalele de Na+ şi K+

din membrana axonilor

Prin molecule ce se leagă

specific de proteina canal

Ex. Canalul de acetilcolină sau canalul de Na+

şi Ca++ din membrana celulei fotoreceptoare

http://biop.ox.ac.uk/www/lj2000/sansom/sansom.html

Caracteristici probabile ale unor canale

http://blanco.biomol.uci.edu/Membrane_Proteins_xtal.html

CANALUL ARIA (Å) CONDUCTANŢA

(pS)

K+ , comandat electric 8,6 4

Na+ , comandat electric 15,8 7

Na+, K+ , comandat de

acetilcolină

40,3 27

cu

rre

nt

tim e

ion flow

through one

channel

“Curgerea”

ionilor printr-un

canal

Te

ns

iun

e e

lec

tric

ă

Timp

Închis

Deschis

closed

conform ation

change

open

Schimbare

conformaţională

Închis Deschis

Comandă chimică

Canalul poate fi închis sau deschis printr-o

modificare conformaţională a proteinei canal

Transportorii proteici folosesc mecanismul conformaţiilor alternative

Canal ionic receptor-dependent

Canale ionice chimic

dependente:

Canale mecano-sensibile

Chang Science, 1998

Canalul

K+

Canale mecano-sensibile

Sukharev Nature 409, 771 (2001)

Canalul

K+

Low tension - closed High tension - open Presiune mică - închis Presiune mare - deschis

Strucură

Funcţie:

regulator osmotic

Aşa cum s-a precizat mijloacele de transport a moleculelor prin

membrana celulară sunt incluşi în 2 clase generale:

Purtători ionici care incluşi în membrana celulară permit

translocarea ionilor de pe o faţă pe cealaltă :

valinomicină (transportor)

gramicidină (canal).

Canale Agenţi purtători

Ionofori

Valinomicina este un transportator pentru K+.

Este o molecula circulară formată din 3 secvenţe repetative a unităţii următoare

8. Difuzia facilitată

N CH C OHC

CH

CH 3H 3C

O

C N

CH

CH 3H 3C

O

HC

CH

CH 3H 3C

C O CH

CH 3

C

O

H

O

H

3

V alinom ycin

L -valine D -hydroxy- D -valine L-lactic

isovaleric acid acid

Valinomicina

V alinom ycin

O

O O

O O

H ydrophobic

O

K+

Valinomicina 6 atomi de oxigen ai

ionoforului leagă K+

În timp ce interiorul complexului

este polar exterorul este

hidrofob

Valinomicina este înalt selectivă

K+ comparativ cu Na+

V al V al

V al-K+ V al-K

+

K+

m em brane

K+

membrană

Valinomicina este un transportor pasiv pentru K+.

Poate să lege sau să elibereze K+ când întâlneşte

suprafaţa membranei.

Direcţia fluxului net depinde de gradientul electro-

chimic al K+

ES2

E2 E1

ES1

Reprezentare schematica a modelului de caraus sau transportator.

E-transportorul in diversele sale forme;

S- substratul de transportat;

ES-complexul transportator-substrat;

1- se refera la partea exterioară a membranei;

2- la partea interioară a membranei

Substanţele sunt transportate de proteine specifice, care se comportă ca nişte

enzime legate de membrană

Are loc cu ajutorul proteinelor-caraus (permeaze) sau prin proteine canal.

Difuzia facilitată – se produce de la o concentraţie mai mare la una mai mică, dar substanţele transportate trec mult mai rapid (de 100.000 de ori) decât ar fi de aşteptat pentru dimensiunea şi

solubilitatea lor în lipide.

Difuzia prin proteine canal.

Canalele membranare sunt selective in sensul ca permit

trecerea numai anumitor substante, deschiderea si

inchiderea lor depinzand de incarcarea electrica a membranei

sau de prezenta unui ligand.

Difuzia prin permeaze.

Este un proces de tip enzimatic cu specificitate de transport a

proteinelor-permeaze pentru un anumit tip de molecula si poate fi

blocat specific prin molecule similare sau ioni de metale grele.

6

Bk T

Dr

kb-coeficientul lui Boltzman

T- temperatura absoluta

George Gabriel Stokes Albert Einstein

Unde:

D - coeficientul de difuzie

(31)

8.1. Ecuatia Einstein-Stokes

Poate fi utilizata pentru a estima coeficientul de difuzie a unei proteine globulare in solutie apoasa.

( )s s s

s s s

dc Fz c dI z FD

dx RT dx

Ecuaţia de electrodifuziune (Nernst-Planck)

Cu ajutorul ei se poate exprima densitatea de curent a unei specii ionice S în funcţie de cei doi gradienţi care o generează, gradientul de concentraţie şi

gradientul de potenţial electric.

I - densitatea de curent

F-Faraday

D-coeficientul de difuzie

R-raza ionului

C - concentratia substantei

Z - valenta ionilor

(32)

8.2. Ecuația de electrodifuziune (Nernst-Planck)

Nicio partea a acestui material nu poate fi utilizată sau reprodusă sub nicio formă și prin

niciun fel de mijloc – electronic sau mecanic – inclusiv prin fotocopiere, înregistrare

magnetică sau orice alt sistem de stocare și de redare a informației, fără permisiunea

explicită scrisă a deținătorului de Copyright în persoana prof.univ. Mihai Chiriță

Iași, 23.12.2012

TRANSPORTUL ACTIV

UNIPORT SIMPORT

ANTIPORT

2 specii într-un singur sens 1 specie într-un singur sens 2 specii într-un sensuri

contrare

U niport Sym port A ntiport

A A B A

B

UINIPORT SIMPORT ANTIPORT

Obligatoriu 2 specii

9. Transportul activ

PRIMAR SECUNDAR

Pompa ionică Împotriva gradientului de

concentraţie – cuplat cu

transportul altei substanţe

TRANSPORTUL ACTIV

Transportatori proteici specifici

conform ation

change

conform ation

change

Carrier-m ediated solute transport

Schimbare de

conformaţie

Schimbare de

conformaţie

Transport mediat

Fiecare secţiune a transportului activ se bazează pe

proteine specifice de transport (ex.GLUT1)

Proteinele de transport leagă ionul respectiv pe o parte a membranei şi

suferind apoi modificări conformaţionale, îl transferă pe cealaltă

parte, unde îl eliberează

Poate să existe o conformaţie intermediară care nu este accesibilă

nici uneia dintre fazele apoase

În cazul transportorilor proteici nu există cu adevărat niciun canal

deschis prin membrana celulară.

conform ation

change

conform ation

change

Carrier-m ediated solute transport

Schimbare de

conformaţie

Schimbare de

conformaţie

Transport mediat

9.1. Transportul activ primar

Transport activ

Pompa ATP-azică

Energia provine din ruperea moleculei de adenozin-trifosfat (ATP) .

Majoritate enzimelor care participa la acest proces sunt ATP-aze transmembranare

O ATP-aza importanta si universala pentru toate celule este pompa de Na+/K+ .

Mecanismul acestei pompe se bazeaza pe pomparea de ioni de Na+ din interior in

exteriorul membranei celulare si de pomparea de ioni de K+ in sens invers

U niport Sym port A ntiport

A A B A

B

Simport Mai este numit şi cotransport pentru că proteinele

de transport leagă simultan două specii chimice

şi le transportă împreună prin membrană

Transportul simultan al ambelor substanţe este

definitoriu mecanismului de transport

Ex: simportul glucoză-Na+, în membranele plasmatice ale unor celule epiteliale

lactoză permează bacteriană, un transportator simport de H+

Gradientul de conc. a unui substrat, obişnuit un ion, determină transferul

simultan împotriva gradientului cosubstratului

9.2. Transportul activ secundar

Locher, Bass, & Rees, Science 301, 603 (2003)

9.2.1. Transportul activ secundar - gradient ionic

U niport Sym port A ntiport

A A B A

B

Schimb dufuzional – proteinele de transport

schibă un solvit pentru un altul prin membrană

Anti-Transportatorii ilustrează o

cinetică numită “ping pong”.

1. Un substrat este legat şi transportat

2. Celălalt substrat este legat şi transportat în direcţie opusă

3. Este catalizat doar schimbul nu şi transportul

4. Proteina de transport nu poate atinge starea de tranziţie

conformaţională în absenţa celui de al doilea substrat

Ex. Antiportul de Na+/ Ca++

9.3. Transportul activ secundar

Adenin nucleotid translocază (schimbător ADP / ATP) catalizează 1:1 schimbul ADP pentru ATP la traversarea

membranei mitocondriale

Ex. Antiport

A T P 4

A D P 3

m itochondrial

m atrix

adenine nucleotide translocase

Matrice

mitocondrială

Adenin nucleotid translocază

S 1 S 2

A T P

A D P + Pi

Side 1 Side 2

A ctive

T ransportTransport

activ

Faţa 1 Faţa 2

Membrană celulară

Ex. Transport facilitat

ENDOCITOZA

Endocitoza, exocitoza şi transcitoza

10. Transportul prin vezicule

Macrotransport • Endocitoză (fagocitoză)

• Exocitoză

• Transcitoză

• Pinocitoză

Transport pasiv

- Difuzia simplă

- Difuzia facilitată

- canale

- carrieri (transportori)

Transport activ

Microtransport

- pompe ionice

- co-transport

- transport activ secundar

Macrotransport

- endocitoza

- transcitoza

Categoriile de transport transmembranar

REZUMAT

1 2

Microtransport

1

2

Nicio partea a acestui material nu poate fi utilizată sau reprodusă sub nicio formă și prin

niciun fel de mijloc – electronic sau mecanic – inclusiv prin fotocopiere, înregistrare

magnetică sau orice alt sistem de stocare și de redare a informației, fără permisiunea

explicită scrisă a deținătorului de Copyright în persoana prof.univ. Mihai Chiriță

Iași, 23.12.2012