curs 1 bfkt membrana celulara _2011
DESCRIPTION
membrana celularaTRANSCRIPT
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
1
Şef.lucr.Dr. LAVINIA NOVEANU
2011
1
FIZIOLOGIE
Curs 1.
Fiziologia
membranei celulare
Universitatea
de Medicină și
Farmacie “Victor Babes”
TimișoaraDisciplina
de Fiziologie
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
2
CUPRINS
1. Componentele principale ale celulei
1.1. Membrana celulară (plasmalema)1.2. Citoplasma (citosolul)1.3. Nucleul
2. Funcţiile şi proprietăţile celulei2.1. Funcţia de transport a membranei celulare 2.2. Funcţia membranei celulare în transferul de
informaţie2.3. Excitabilitatea membranară. Potenţialele de
membrană
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
3
1.
COMPONENTELE PRINCIPALE ALE CELULEI
MEMBRANA CELULARĂ
lipide
proteine
glucide
CITOPLASMA
hialoplasma (faza lichidă)
organite celulare comune
organite celulare specifice
NUCLEUL
membrana nucleară
carioplasma
nucleolul
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
4
1.1.MEMBRANA CELULARĂ (plasmalema)DEFINIŢIE
-
complex molecular lipidoproteic care delimitează celula de
mediul extracelular
FUNCŢIE
-
membrana celulară este o barieră cu permeabilitate selectivă
şi
dinamică care controlează schimburile dintre celulă şi mediul extracelular
COMPONENTE
fosfolipide, colesterol, glicolipide
proteine, glicoproteine
ORGANIZARE
-
“modelul mozaicului fluid
lipidoproteic”
(Singer
şi Nicholson, 1972)
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
5
(a) LIPIDELE MEMBRANARE –
matricea fosfolipidică
MATRICEA FOSFOLIPIDICĂ
-
este alcătuită din două straturi
de fosfolipide
dispuse cu:
extremitatea hidrofilă
-
spre porţiunea periferică a membranei
extremitatea hidrofobă
-
spre porţiunea mijlocie a membranei
MIEZ HIDROFOB
MIEZ HIDROFOBExtremităţi hidrofile
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
6
FUNCŢIILE MATRICEI FOSFOLIPIDICE1. Determină permeabilitatea selectivă a membranei
membrana este permeabilă pentru molecule liposolubile (ex: uree, etanol,
hormoni steroizi) şi pentru gaze (O2
şi CO2
)
membrana este impermeabilă
pentru H2
O, ioni şi substanţe hidrosolubile
2. Sursă de mesageri intracelulari şi extracelulari
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
7
SURSĂ DE MESAGERI INTRACELULARI
- sub acţiunea fosfolipazei
C (PLC)
membranare, inozitol-fosfolipidele
membranare
(PIP2
) generează:
IP3 (inozitol-trifosfat)
DAG (diacil-glicerol)
RS = reticul sarcoplasmatic reprezintă depozitul de Ca2+
în celula musculară netedă
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
8
SURSĂ DE MESAGERI EXTRACELULARI - sub acţiunea fosfolipazei
A2
(PLA2
)
membranare, acidul arahidonic
membranar generează:
pe calea ciclooxigenazei
PROSTAGLANDINE (PG)
TROMBOXAN A2 (TxA2
)
pe calea lipooxigenazei
LEUCOTRIENE (LT)
PG, TxA2
, LT = metaboliţii acidului arahidronic, cu funcţii biologice multiple
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
9
(b) PROTEINELE MEMBRANARE
CARACTERISTICĂ
-
reprezintă elementul activ al membranei care determină proprietăţile şi funcţiile specifice ale membranei
CLASIFICARE
-
în funcţie de relaţia cu matricea fosfolidică
şi rolurile îndeplinite se descriu:
proteine periferice (extrinseci)
proteine integrale (intrinseci)
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
10
PROTEINELE PERIFERICE
rol de enzime membranare
acetilcolinesteraza (inactivează acetilcolina)
adenilatciclaza
(generează AMPc)
PROTEINELE INTEGRALE
canale pentru ioni şi apă
proteine “transportoare”
(“carrier”)
receptori membranari
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
11
1.2.CITOPLASMA
(citosolul)DEFINIŢIE
- masa celulară extranucleară cu o structură complexă lanivelul căreia se desfăşoară funcţiile vitale ale celulei
ORGANIZARE
1.PARTE NESTRUCTURATĂ
(hialoplasma)
= sistem coloidal în care mediu
de dispersie este apa
2. PARTE STRUCTURATĂ
–
cuprinde:
organite celulare comune
organite celulare specifice
incluziuni citoplasmatice (temporare)
substanţe de rezervă
componente ale citoscheletului
celular
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
12
Neurofibrile
Corpii Nissl
ORGANITELE CELULARE
Miofibrile
COMUNE SPECIFICE
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
13
Organite celulare comune (se găsesc în toate celulele)
Ribozomii Sinteza de proteine celulare
Reticulul endoplasmatic- neted (REN)- rugos (RER)
REN -
transportul intracelular al produşilor de secreţie celularăRER –
sinteza de proteine şi transportul produşilor se secreţie
Aparatul Golgi Asamblează în vezicule produşii de secreţie celulară
Lizozomii Digestia intracelulară (mai numeroşi la nivelul leucocitelor)
Mitocondriile Producţia de energie (ATP)
Centrul celular Diviziunea celulară
Organite celulare specifice(se găsesc numai în neuron şi celula musculară)
Neurofibrilele Suport mecanic şi transport intracelular la nivelul neuronului
Corpii Nissl= RER
Sinteza de proteine la nivelul neuronului
Miofibrilele Contracţia celulei musculare
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
14
1.3.NUCLEUL
ROLURI
coordonează procesele biologice celulare fundamentale
conţine materialul genetic şi transmite informaţia genetică
controlează metabolismul celular
STRUCTURĂ
membrană nucleară - structură poroasă, dublă, cu permeabilitate crescută
carioplasmă
- soluţie coloidală cu aspect omogen, care conţine o reţea fină de cromatină
unul sau mai mulţi nucleoli - corpusculi de cromatină condensată
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
15
În raport cu
NUMĂRUL DE NUCLEI
-
celulele pot fi: anucleate
eritrocitele adulte uninucleate
neuron, celula musculară cardiacă şi netedă binucleate
celulele hepatice (hepatocitele) multinucleate
macrofagele şi celula musculară striată
Eritrocite Neuroni Hepatocite
Macrofag
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
16
2. FUNCŢIILE ŞI PROPRIETĂŢILE MEMBRANEI CELULARE
PROPRIETĂŢI GENERALE ALE CELULEI
1. TRANSPORTUL TRANSMEMBRANAR
funcţie a proteinelor “carrier”
membranare
2. TRANSFERUL DE INFORMAŢIE
funcţie a proteinelor receptoare membranare
şi de semnalizare
intracelulară
3. METABOLISMUL CELULAR
funcţie a nucleului (de control), participarea RER, aparat Golgi,
mitocondrii, lizozomi
4. REPRODUCEREA CELULARĂ
funcţie a nucleului (conţine materialul genetic), participarea
centrului celular
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
17
PROPRIETĂŢI SPECIFICE ALE CELULEI
1.
EXCITABILITATEA -
proprietatea de a răspunde la acţiunea unui excitant printr-un potenţial de acţiune propagat
neuron, celula musculară
2.
CONTRACTILITATEA -
proprietatea de a se scurta sub acţiunea unui
stimul
celula musculară (striată scheletică, striată cardiacă, netedă)
3. ACTIVITATEA SECRETORIE -
proprietatea de a elibera în mediul
extracelular produşi de secreţie (substanţe biologic active)
celula
epitelială
care intră în structura:
glandelor endocrine - eliberează produsul de secreţie direct în sânge
glandelor exocrine - eliberează produsul de secreţie)
în cavităţile organismului
glandele salivare în cavitatea bucală
înafara organismului
glandele sudoripare la suprafaţa pielii
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
18
2.1. FUNCŢIA DE TRANSPORT A MEMBRANEI CELULARE
DEFINIŢIE
-
transportul membranar reprezintă procesul de traversare
a substanţelor prin membrana celulară
CLASIFICARE
-
după natura forţelor care asigură transportul: transport pasiv transport activ transportul vezicular
TRANSPORT VEZICULAR
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
19
2.1.1.TRANSPORTUL PASIV
CARACTERISTICI
este spontan
are loc fără consum de energie (ATP)
se desfăşoară sub acţiunea unor forţe fizice şi în sensul reducerii unor gradiente fizice:
de potenţial electrochimic
de presiune osmotică
de presiune hidrostatică
MECANISME DE TRANSPORT PASIV
Difuziunea
Osmoza
Filtrarea
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
20
DEFINIŢIE:
transportul substanţelor printr-o
membrană permeabilă
pe
baza
gradientului electrochimic
GRADIENTUL CHIMIC
- asigură
difuziunea
substanţei
dinspre
partea cu
concentraţia mai mare spre suprafaţa cu concentraţie mai mică
GRADIENTUL DE POTENŢIAL ELECTRIC
- asigură
difuziunea ionilor
către
faţa membranei încărcată electric cu sarcina de semn contrar
I. DIFUZIUNEA
extracelular
intracelular
K+
= 4 mEq/l
K+
= 140 mEq/l Gradient chimic
Gradient electric
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
21
(a) DIFUZIUNEA PRIN MATRICEA FOSFOLIPIDICĂDEFINIŢIE –
transportul moleculelor
liposolubile (uree, etanol, hormoni
steroizi) pe baza gradientului electrochimic
şi a gaze respiratorii (O2
şi
CO2
) pe baza gradientului de presiune parţială a gazului
(PO2
, PCO2
)
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
22
(b)
DIFUZIUNEA PRIN CANALE IONICE
CANALELE
-
sunt proteine integrale care asigură transportul pasiv
al
ionilor în sensul gradientului electrochimic
Pasive
–
de scurgere: canalul de Na+
şi K+
Active
–
operate prin porţi:
canale de Na+
canale de K+
canale de Ca2+
canale de Cl-
CLASIFICARE
-
în raport cu
dinamica porţilor:
canale ionice voltaj –
dependente
canale ionice operate de ligand
1. Filtrul de selectivitate
2 Porul sau canalul de trecere
3. Una/două porţi
4. Senzorul de voltaj sau situsul
de
fixare a ligandului
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
23
Canalele ionice voltaj-dependente
DINAMICĂ - determinată de modificările conformaţionale induse proteinei
integrale prin
variaţia de potenţial transmembranar
de la nivelul
NEURONULUI sau a
CELULEI MUSCULARE
TIPURI DE CANALE
VOLTAJ –
DEPENDENTE canale rapide de Na+
canale de K+
canale lente de Ca2+
canale de Cl-
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
24
DINAMICĂ: modificările conformaţionale ale proteinei integrale
induse sub
acţiunea unei
molecule care se fixează pe un situs
specific din membrana
NEURONULUI
sau a
CELULEI EPITELIALE
TIPURI DE CANALE OPERATE DE LIGAND
operate de
liganzi extracelulari
canalul
în membrana neuronului
ligandul
= mediator chimic
operate de
liganzi intracelulari
canalul
în
membrana celulei epiteliale
ligand
= mesager secundar
Canalele ionice operate de ligand
Canal de Na+
din structura receptorului nicotinic
Ligand
= acetilcolina
Canal de Na+, K+
sau Cl+
din membrana celulei epiteliale
Ligand
= AMPc, Ca2+
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
25
asigură transportul GLUCOZEI a AMINOACIZILOR
se desfăşoară cu ajutorul unei proteine “transportoare”
transportul este limitat până la o valoare maximă (Tmax
)
poate fi influenţat de hormoni: insulina creşte difuziunea facilitată a
glucozei de 10-20 x prin creşterea numărului de proteine
“transportoare”
(c) DIFUZIUNEA FACILITATĂ
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
26
II.
OSMOZA
DEFINIŢIE
--
difuziunea APEI
dintr-o soluţie osmotic activă, printr-o membrană semipermeabilă, pe baza gradientul de presiune osmotică.
Membrana semipermeabilă = permeabilă pentru solvent (APA) şi
impermeabilă pentru solviţii care atrag apa (NaCl, glucoză, uree)
Concentraţia osmotică (Cosm
)
= numărul de particule osmotic active dizolvate în unitatea de volum
Presiunea osmotică
(Posm
)
= forţa care se opune osmozei (transferului de apă) printr-o membrană semipermeabilă
Posm
= Cosm
x R x T Cosm
= Osmol/L
R = constanta gazelor (0,082)
T = temperatura soluţiei (K)
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
27
Presiunea hidrostatică (Ph)
= presiunea exercitată de o coloană de lichid pe o suprafaţă
de schimb, datorită diferenţei de nivel:
III.
FILTRAREADEFINIŢIE:
reprezintă transportul
apei
şi a
substanţelor micromoleculare
prin membrane permeabile, pe baza gradientul de presiune hidrostatică
Gradientul de presiune hidrostatică
-
asigură transferul 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
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
28
2.1.2.TRANSPORTUL ACTIV
CARACTERISTICI
se desfăşoară împotriva gradientului electrochimic
necesită o proteină “transportoare” specifică
(“carrier”)
necesită consum energetic
(ATP)
are caracter limitativ până la Tmax
ROLURI
asigură transportul ionilor şi a moleculelor organice
asigură gradientul electrochimic
al substanţelor între mediul intracelular şi extracelular (mecanismele de transport pasiv)
CLASIFICARE
-
după modalitatea de utilizare a energiei
(a) TRANSPORT ACTIV PRIMAR -
utilizare directă de ATP
(b) TRANSPORT ACTIV SECUNDAR - utilizare indirectă de ATP
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
29
(a)
TRANSPORTUL ACTIV PRIMAR
CARACTERISTICI
este specific pentru transportul ionilor
proteina “carrier”
se numeşte pompă ionică
proteina “carrier”
este o ATP-ază
ATP
ADP + Pi + E
energia (E) este utilizată pentru modificările de conformaţie ale proteinei “carrier”
PRINCIPALELE POMPE IONICE
Pompa Na+/K+ - scoate din celulă 3Na+
şi introduce în celulă 2K+
pentru 1 ATP
Pompa de Ca2+ - scoate din celulă 2Ca2+
pentru 1 ATP
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
30
(b)
TRANSPORTUL ACTIV SECUNDAR
CARACTERISTICĂ
asigură transportul unei substanţe organice
sau a unui ion cuplat cu
Na+,
pe baza gradientului electrochimic al Na+
întreţinut de pompa
Na+/K+
(Na+
extracelular
Na+
intracelular)
TIPURI DE TRANSPORT ACTIV SECUNDAR
COTRANSPORT
–
are loc în aceeaşi
direcţie cu tranportul
de Na+
ex: cotransport
Na+/glucoză
SCHIMBĂTOR IONIC
–
are loc în direcţie
opusă faţă de transportul de Na+
ex: schimbător Na+/H+
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
31
2.1.3.TRANSPORTUL VEZICULAR
CARACTERISTICĂ - este o formă de transport activ bazat pe includerea substanţei (proteină) într
–
o VEZICULĂ
(a)
Endocitoză
–
materialul extracelular este captat într
– o veziculă prin
invaginarea membranei celulare şi transferat intracelular
(b)Exocitoză
–
materialul intracelular este captat în vezicule care vor fuziona cu membrana celulară, urmată de eliminarea conţinutului în exteriorul celulei
(c)
Transcitoză
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
32
2.2. FUNCŢIA MEMBRANEI CELULARE ÎN TRANSFERUL DE
INFORMAŢIE
MESAGERII PRIMARI sau liganzii
– substanţe care sunt recunoscute şi
interacţionează cu receptori celulari, având ca rezultat un răspuns celular
specific
Mesageri primari hidrosolubili
nu pot străbate matricea fosfolipidică
se fixează pe receptori membranari
Mesageri primari
liposolubili
străbat matricea fosfolipidică
se leagă de receptori citoplasmatici sau nucleari
TIPURI DE MESAGERI PRIMARI
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
33
RECEPTORII MEMBRANARI
–
proteine integrale capabile să recunoască
şi să
interacţioneze
cu un mesager primar specific şi să activeze o cale de semnalizare intracelulară
Tipuri de interacţiuni LIGAND –
RECEPTOR
Tip AGONIST -
formarea complexului ligand-receptor determină
răspunsul celular specific
Tip ANTAGONIST
-
formarea complexului ligand-receptor NU determină răspunsul celular specific (agonism
0%)
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
34
I. Mesagerul PRIMAR
(de ordinul I)
acţionează pe
receptori membranari
specifici
determină activarea
mesagerilor secundari
II.
Mesagerul SECUNDAR (ordinul II) amplifică informaţia de
10 x activează
mesagerii terţiari
CALEA DE SEMNALIZARE INTRACELULARĂ –
cuprinde:
III.
Mesagerul TERŢIAR (ordinul III)
amplifică informaţia de
100 x
prin activarea
“masei critice”
de proteine intracelulare asigură
RĂSPUNSUL CELULAR modificări FUNCŢIONALE METABOLICE şi STRUCTURALE ale celulei
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
35
2.3. EXCITABILITATEA MEMBRANARĂ. POTENŢIALUL
TRANSMEMBRANAR
DEFINIŢIE
- excitabilitatea este proprietatea membranei de a răspunde
rapid
şi localizat
la o variaţie de energie (mecanică, electrică, termică,
chimică) din mediul extracelular printr-un potenţial de acţiune propagat
METODA DE STUDIU
–
tehnica microelectrozilor
POTENŢIALUL TRANSMEMBRANAR
reprezintă diferenţa
dintre potenţialul de la
nivelul electrodului explorator
(plasat la
interior) şi potenţialul de la nivelul
electrodului indiferent
(plasat la exterior)
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
36
2.3.1.POTENŢIALUL DE REPAUS
DEFINIŢIE
-
diferenţa de potenţial dintre
suprafaţa internă
– electric
negativă şi suprafaţa externă
–
electric pozitivă, în condiţii de repaus
VALOARE:
între -
60 mV şi -
90 mV, în funcţie de tipul de celulă excitabilă
FACTOR DETERMINANT
- repartiţia inegală a ionilor de Na+
şi K+
de o
parte şi de alta a membranei
IONI Intracelular Intracelular
Na+ 14 mEq/l 140 mEq/l
K+ 140 mEq/l 4 mEq/l
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
37
FACTORII CARE MENŢIN POTENŢIALUL DE REPAUS
PASIV - permeabilitatea selectivă a membranei în repaus
datorită canalelor de “scurgere”
de Na+/K+ permeabilitatea este de 50
–
100 de ori mai mare pentru K+
decât pentru Na+
ACTIV
-
pompa Na+/K+
care transportă 3Na+
spre exterior şi 2K+
spre interior pentru 1 ATP
întreţine fluxul de ioni prin canalele de “scurgere”
Na+/K+
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
38
VALOARE: între
0 mV şi
+45 mV, în funcţie de tipul de celulă excitabilă
FACTOR DETERMINANT -
atingerea potenţialului prag de
- 55 mV
DEFINIŢIE
-
modificarea rapid reversibilă
a diferenţei de potenţial sub
acţiunea unui stimul prag (intensitate minimă necesară)
la locul excitaţiei
membrana devine electric pozitivă la interior şi electric
negativă la exterior
2.3.2.POTENŢIALUL DE ACŢIUNE
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
39
FAZELE POTENŢIALULUI DE ACŢIUNE
REPOLARIZAREA (panta descendentă)
inactivarea bruscă a canalelor Na+
sau Ca2+
creşterea efluxului de K+
prin canale voltaj-dependente
DEPOLARIZAREA (panta ascendentă)
creşterea bruscă a
influxului de Na+
sau de Ca2+
prin canale ionice voltaj
–
dependente
OBSERVAŢIE
-
mecanismele de producere, aspectul grafic şi durata potenţialului de acţiune sunt diferite în funcţie de tipul de celulă excitabilă: neuron celula musculară scheletică, cardiacă, sau netedă
NEURON
CURS 1 FIZIOLOGIEBFKTR ANUL I (2011)
40
PERIOADELE EXCITABILITĂŢII MEMBRANARE
(a) PERIOADA REFRACTARĂ ABSOLUTĂ (PRA)
membrana este inexcitabilă corespunde cu depolarizarea şi prima parte a repolarizării
(b) PERIOADA REFRACTARĂ RELATIVĂ (PRR)
(c) PERIOADA CU EXCITABILITATE NORMALĂ
membrana este normal excitabillă
răspunde maximal la stimuli prag
respectă legea “totul sau nimic”
membrana este hipoexcitabilă
răspunde submaximal
la stimuli supraprag
corespunde cu ultima parte a repolarizării