Download - Curs 1 Membrana Celulara 2011
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 1
Curs 1.FIZIOLOGIA MEMBRANEI CELULARECUPRINS
1.Organizarea morfo-funcţională a membranei celulare 1.1. Lipidele membranare. Rol structural şi funcţional
1.2. Proteinele membranare. Rol structural şi funcţional1.3. Structurile specializate ale membranei
2.Funcţia de transport a membranei celulare.Transportul pasiv 2.1. Difuziunea2.2. Osmoza2.3. Filtrarea2.4. Canalele ionice membranare
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 2
OBIECTIVELE CURSULUI 1– Studentul trebuie să:
Explice organizarea şi rolul matricei fosfolipidice în permeabilitatea selectivă a membraneiCunoască criteriile de clasificare şi funcţiile principale ale proteinelor membranareEnumere criteriile generale de clasificare a mecanismelor de transport membranarDefinească principalele caracteristici ale transportului pasivDescrie 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
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 3
STRUCTURA GENERALĂ A CELULEI
MEMBRANA CELULARĂ
CITOPLASMA
NUCLEUL
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 4
1.Organizarea morfo-funcţională a membranei celulareDEFINIŢIE: complex molecular lipidoproteic care delimitează celula de mediul extracelular (membrana celulară = PLASMALEMĂ)
STRUCTURĂ: modelul “mozaicului fluid lipido-proteic”
FUNCŢIE PRINCIPALĂ: barieră cu permeabilitate selectivă şi dinamică care controlează schimburile dintre celulă şi mediul extracelular
Modelul mozaicului fluid lipoproteic (Singer şi Nicolson (1972)
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 5
STRUCTURĂLIPIDE – fosfolipide, colesterol, glicolipidePROTEINE – periferice, integrale, glicoproteineSTRUCTURI SPECIALIZATE ALE MEMBRANEI – microvili, jonţiuni
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
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 6
1.1. LIPIDELE MEMBRANARE – rol structural şi funcţional (S1.slide 6-10)
FOSFOLIPIDELE - formează matricea fosfolipidică alcătuită din două straturi monomoleculare de fosfolipide. Fiecare strat prezintă:
- 1 extremitate hidrofilă spre porţiunea periferică a membranei
- 1 extremitate hidrofobă spre porţiunea mijlocie a membranei
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 7
COLESTEROLUL – 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” care stabileşte contacte cu
structuri ale mediului extracelular
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 8
FUNCŢIILE MATRICEI FOSFOLIPIDCE(a) ASIGURĂ PERMEABILITATEA SELECTIVĂ A MEMBRANEI
permeabilă pentru molecule liposolubile mici, nepolare gaze (O2
CO2), acizi graşi, glicerol, hormoni steroizi, uree, etanolimpermeabilă pentru molecule hidrofile mari- nepolare (ex: glucoză, aminoacizi) - polare (ex: ioni)parţial permeabilă pentru apă
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 9
(b) SURSĂ DE MESAGERI INTRACELULARIsub acţiunea fosfolipazei C (PLC) membranare
Sursa - inozitolfosfolipidele (PIP2) membranare
Mesageri intracelulariIP3 (inozitol-trifosfat)DAG (diacil-glicerol)
Roluri IP3 stimulează eliberarea Ca2+ din reticulul sarcoplasmatic (ER)DAG activează proteinkinaza C membranarăcare reglează contractilitatea muşchiului neted, metabolismul şi secreţia celulară (prin activarea unor enzime intracelulare)
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 10
(c) SURSĂ DE MESAGERI EXTRACELULARIsub acţiunea fosfolipazei A (PLA) membranare
Sursa - acidul arahidonic membranar
Mesageri calea ciclooxigenazei:
PROSTAGLANDINE (PG) TROMBOXAN A2
calea lipooxigenazei:LEUCOTRIENE (LT)
Roluri - efecte biologice multiplefiziologice - reglarea microcirculaţiei- coagularepatologice → inflamaţie
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 11
1.2. PROTEINELE MEMBRANARE – rol structural şi funcţional (S2.slide 11-13)
CARACTERISTICIreprezintă jumătate din masa membranei reprezintă elementul activ care determină proprietăţile şi funcţiile specifice ale membranei
CLASIFICARE – în funcţie de relaţia cu matricea fosfolipidicăproteine periferice (extrinseci)proteine integrale (intrinseci)
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 12
stabilesc CONTACTE cu citoscheletul celular → menţin forma celulei şi participă la mişcările celulare FIXEAZĂ celula pe fibre ale matricei extracelulare
(a) PROTEINELE PERIFERICEslab ancorate de matricea fosfolipidică prin forţe electrostatice au mobilitate mare în planul membranei, controlată metabolic
ROLURI - în principal de ENZIME MEMBRANARE
Externe → acetilcolinesteraza inactivează acetilcolina (Ach)Interne → adenilatciclaza generează AMPc (mesager intracelular)
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 13
(b) PROTEINELE INTEGRALE
străbat întreaga matrice de pe o faţă pe alta
structură asimetrică, puternic glicozilate extern
sunt puternic ancorate de matricea fosfolipidică
prin legături covalente
au o mobilitate mai redusă în planul membranei
ROLURI
CANALE (ioni şi apă)
TRANSPORTORI (“carrier”)RECEPTORI MEMBRANARI PROTEINE de ataşare intercelulară PROTEINE de recunoaştere intercelulară
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 14
1.3.STRUCTURILE SPECIALIZATE ALE MEMBRANEI
DEFINIŢIE: prelungiri ale citoplasmei acoperite de plasmalemă
temporare şi neordonate → pseudopodele emise de leucocite
permanente → microvilii şi joncţiunile intercelulare
(a) MICROVILII
extensii în “deget de mănuşă”
măresc suprafaţa de contact a
plasmalemei cu mediul extracelular,
la nivelul unei suprafeţe de schimb
Ex: epiteliul intestinal şi renal
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 15
(b) JONCŢIUNILE INTERCELULARE
structuri complexe care asigură CONTACTUL dintre două celule
sunt de 3 categorii: strânse, de ancorare şi largi
JONCŢIUNI STRÂNSE (“tight jonction”)impermeabileasigură o barieră mecanică şi chimică
Ex: epiteliul digestiv (GASTRIC)
barieră mecanică împotriva pătrunderii
microorganismelor în sânge
barieră chimică împotriva acidităţii (HCl) şi
enzimelor digestive proteolitice (pepsină)
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 16
JONCŢIUNI DE ANCORARE = DESMOZOMII
asigură CONTACTUL dintre celulele supuse unui stres mecanic
Ex: celulele epidermalefibrele musculare cardiace
JONCŢIUNI LARGI (“gap jonction”) = CONEXONII
permit transferul bidirecţional de molecule mici între 2 celule adiacente
sunt structuri excitabile (sinapse electrice) care permit pasajul ionic şi conducerea excitaţiei
Ex: fibrele musculare cardiace şi netedeunele sinapse din SNC
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 17
2. FUNCŢIA DE TRANSPORT A MEMBRANEI CELULARE
DEFINIŢIE: procesul de traversare a substanţelor prin membrana celulară
CLASIFICAREîn funcţie de dimensiunea substanţeisisteme de microtransfer (micromolecule) sisteme de macrotransfer (macromolecule) în funcţie natura forţelor care asigură transferul micromoleculelortransport pasivtransport activmacromoleculele traversează membrana prin transport vezicular (transport activ)
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 18
TRANSPORTUL PASIV (S3.slide 18-40)
CARACTERISTICIeste spontan are loc fără consum de energie (ATP)se desfăşoară sub acţiunea unor forţe fizice şi în sensul reducerii unor gradiente
de potenţial electrochimicde presiune osmoticăde presiune hidrostatică
MECANISME DE TRANSPORT PASIVDifuziunea Osmoza Filtrarea
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 19
2.1. DIFUZIUNEADEFINIŢIE: transportul substanţelor printr-o membranăpermeabilă pe baza gradientului electrochimic
GRADIENTUL CHIMIC asigură difuziunea substanţei dinsprepartea cu concentraţie mai mare (C1) spre partea cu concentraţie mai mică (C2)
GRADIENTUL DE POTENŢIAL ELECTRIC asigură difuziunea ionilor către faţa membranei încărcată electric cu sarcina de semn contrar
extracelular
intracelular
K+ = 4 mEq/l
K+ = 140 mEq/l Gradient chimic
Gradient electricC2
C1
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 20
EXEMPLU: difuziunea K+ prin membrana neuronală în repaus
Concentraţia K+ intracelular=140 mEq/l, K+ extracelular = 4 mEq/l
pe baza gradientului chimic are loc difuziunea K+ dinspre interiorul
spre exteriorul celulei = eflux de K+
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+
extracelular
intracelular
K+ = 4 mEq/l
K+ = 140 mEq/l Gradient chimic
Gradient electricC2
C1
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 21
MECANISMELE DE TRANSPORT PASIV PRIN DIFUZIUNE
Difuziunea simplă
Difuziunea prin canale ionice
(a) Difuziunea simplă prin matricea fosfolipidică – pentru:molecule de gaz (O2 şi CO2)molecule liposolubile (uree, etanol, h.steroizi, etc.)apă (în proporţie redusă)
(b) Difuziunea simplă prin canaleCanale ionice (Na+, K+, Ca2+, Cl-)voltaj – dependente (variaţii de potenţial membranar) operate de ligand (activate de liganzi) operate mecanic (activate prin întindere)
Canale de apă (acvaporine)operate de ligand
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 22
(c) Difuziunea facilitată
asigură transportul pasiv al substanţelor organice nepolare ex: glucoza, AA
necesită o proteină “carrier” specifică
viteza de transfer este crescută
transportul este limitat de capacitatea transportului până la o valoare maximă (Tmax)
poate fi influenţată de substanţe biologic active → ex: insulina creşte de 10-20 ori difuziunea facilitată a glucozei prin creşterea numărului de proteine transportoare (GLUT)
Difuziunea facilitată
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 23
RATA DIFUZIUNII
DEFINIŢIE: numărul de particule difuzate în unitatea de timp
RATA difuziunii simple depinde de:
permeabilitatea membranei
mărimea gradientului electrochimic
mărimea suprafeţei de schimb
RATA difuziunii facilitate depinde de:
mărimea gradientul electrochimic
capacitatea transportorului (valoarea Tmax)
Tmax
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 24
2.2. OSMOZA
DEFINIŢIE: difuziunea netă a APEI dintr-o soluţie osmotic activă, printr-o membrană semipermeabilă, pe baza gradientul de presiune osmotică (Posm)
Membrana semipermeabilăpermeabilă pentru solvent = APAimpermeabilă pentru solviţi = particule osmotic active
Soluţie osmotic activăsoluţie care conţine solviţi care atrag apa NaClGlucozăUreeProteine
Osmoza
H2O2d H2O2d
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 25
PARAMETRII
Concentraţia osmotică (Cosm) = numărul de particule osmotic active dizolvate în unitatea de volum
Presiunea osmotică (Posm) = forţa care se opune trecerii apei printr-o membrană semipermeabilă
Posm (atm) = Cosm x R x T
Cosm = Osmol/L, R = constanta gazelor (0,082)
T = temperatura soluţiei (°K)
H2O2d H2O2d
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 26
GRADIENTUL DE PRESIUNE OSMOTICĂdetermină sensul şi mărimea transferului de APĂ:
APA trece dinspre partea cu Posm mai mică (soluţie mai diluată) spre partea cu Posm mai mare (soluţie mai concentrată)
transferul de APĂ se opreşte atunci când Posm1 ≅ Posm2
soluţia cu Posm mai mare îşi măreşte volumul
soluţia cu Posm mai mică îşi micşorează volumul
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 27
2.3. FILTRAREADEFINIŢIE: reprezintă transportul apei şi a substanţelor micromoleculare prin membrane permeabile, pe baza gradientul de presiune hidrostatică (Ph)
Ph = presiunea exercitată de o coloană de lichid pe o suprafaţă, datorită greutăţii sale:
Ph = ρ x g x h ρ= densitatea lichiduluig = acceleraţia gravitaţionalăh = înălţimea coloanei de lichid
GRADIENTUL DE PRESIUNE HIDROSTATICĂ
asigură transferul dinspre partea cu Ph mai mare spre partea cu Ph mai mică
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 28
2.4.CANALELE IONICE MEMBRANARE
DEFINIŢIE: proteine integrale care asigură transportul pasiv al
ionilor în sensul gradientului electrochimic
CLASIFICARE
(a) În raport cu DINAMICA canalului
Canale de scurgere - asigură un flux continuu de
ioni (ex: canalul de scurgere Na+/K+)
Canale ionice controlate (cu porţi) - configuraţii
moleculare tranzitorii care au o dinamică de canal
deschis/închis (ex: canale de Na+, K+, Ca2+, Cl-)
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 29
(b) În raport cu SELECTIVITATEA canaluluiCanale selective - pentru 1 ion (ex: Na+,K+,Ca2+, Cl-)Canale parţial selective - pentru 2 ioni (ex: Ca2+ şi Na+, Na+ şi K+)Canale neselective - pentru 3 sau mai mulţi ioni (ex: canale pentru Na+, Ca2+, K+ şi Ba2+)
SELECTIVITATEA canalului este condiţionată de: sarcina ionului mărimea ionului gradul de hidratare a ionului
(c) În raport cu FACTORUL care condiţionează dinamica canaluluiCanale ionice voltaj – dependenteCanale ionice operate de ligandCanale ionice operate mecanic (întindere)
2.4.1.CANALELE IONICE VOLTAJ-DEPENDENTE
DINAMICA CANALULUI – determinată de modificările conformaţionale induse proteinei integrale prin variaţia de potenţialtransmembranar
TIPURI DE CANALECanale rapide de Na+
Canale de K+
Canale lente de Ca2+
Canale de Cl-
STRUCTURĂ 1.Filtrul de selectivitate 2.Porul sau canalul de trecere3.Una/două porţi 4.Senzorul de voltaj
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 30
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 31
(a) CANALELE RAPIDE DE Na+
DISTRIBUŢIEmembrana neuronalămembrana fibrei musculare scheletice membrana fibrei musculare miocardice
PARTICULARITĂŢI STRUCTURALEsunt puternic încărcate electric negativ care asigură înlăturarea moleculelor de H20 (dehidratarea Na+) prezintă două porţi – de activare (m) şi de inactivare (h)
STĂRI FUNCŢIONALErepaus: poarta h deschisă, poarta m închisăactivare: ambele porţi deschise inactivare: poarta m deschisă, poarta h închisă
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 32
DINAMICA PORŢILOR
sub acţiunea unui stimul prag (atingerea potenţialului prag) canalul
de Na+ se activează şi asigură un 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 repaus membrană excitabilă
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 33
(b) CANALELE DE K+
DISTRIBUŢIE: membrana tuturor structurilor excitabile
PARTICULARITĂŢI STRUCTURALENU sunt încărcate electric negativau o singură poartă n - de activare
DINAMICA PORŢILOR – mai lentă, asociată cu repolarizarea membranei, prin eflux de K+ (faza descendentă a potenţialului de acţiune)
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 34
(c) CANALELE LENTE DE Ca2+
sunt în general canale parţial selective: Ca2+ > Na+
se activează în urma depolarizării membranei determină un influx de Ca2+ implicat în reglarea:
excitabilităţii celularecontracţiei musculare secreţiei celulare
TIPURI DE CANALEtip L (long lasting) fibra musculară cardiacă şi netedă
- rol în cuplarea excitaţie/contracţietip T (transient) celula pacemaker a miocardului
- rol în generarea spontană a excitaţieitip N (neuronal) membrana neuronală presinaptică
- rol în exocitoza veziculelor presinaptice
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 35
(d) CANALELE DE Cl-
se găsesc în membrana neuronuluişi a fibrei musculare striate se deschid în urma depolarizării membranare determină un influx de Cl-
rol de stabilizare a potenţialului de repaus
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 36
2.4.2. CANALELE IONICE OPERATE DE LIGAND
DINAMICA CANALULUI - modificările conformaţionale ale proteinei integrale sunt induse sub acţiunea unei substanţe biologic active care se numeşte LIGAND
Ligandul se fixează pe un situs specific de la nivelul porţilor
TIPURI DE CANALE
operate de liganzi extracelulari
operate de liganzi intracelulari
operate de receptori prin proteine G
canale intercelulare - conexoniiCanal închis Canal deschis
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 37
(a) Canalele ionice operate de LIGANZI EXTRACELULARI
CARACTERISTICĂ: canalul intră în structura unor receptori ai membranei postsinaptice, iar ligandul este un mediator chimic
Tip canal ionic Ligand Sinapse Efect Canale de Na+ ACh Excitatorii din SNC şi SNP
Placa motorie
influx de Na+
depolarizant influx de Na+ şi eflux de K+
Inhibitorii din SNC
Excitatorii din SNC
Canale de Cl- GABA Glicină
influx de Cl-hiperpolarizant
Canale cationice neselective Ca2+, Na+, K+
Glutamat influx cationic depolarizant
SNC = sistem nervos central ACh = acetilcolinăSNP = sistem nervos periferic GABA = acid gama amino butiric
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 38
(b) Canale ionice operate de LIGANZI INTRACELULARI
CARACTERISTICĂ: canalele sunt localizateîn membrana celulelor epiteliale (canale de Na+, K+, Cl-), iar ligandul este un mesager intracelular (AMPc, Ca2+)în membrana RS (canal de Ca2+), iar ligandul este IP3
Tip canal Ligand Localizare
Canale de Na+ AMPc Celule epiteliale (nefrocit, glande exocrine)
Canale de K+ Ca2+ Membrana fibrei miocardice
Canale de Cl- Ca2+ Celule epiteliale (glande exocrine, mucoasa intestinală şi a căilor aerifere)
Canale de Ca2+ IP3 Membrana reticulului sarcoplasmatic
Canale de apă AMPc Celule epiteliale (nefrocit, mucoasa intestinală, glande exocrine)
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 39
(c) Canale ionice operate de RECEPTORI prin proteinele G
CARACTERISTICĂ: sunt canale de Ca2+ sau K+ activate:
direct - prin subunitatea α a proteinei G
indirect - prin activarea de către proteina G a mesagerilor
intracelulari (Ca2+, AMPc, GMPc)
CURS 1 FIZIOLOGIEMG ANUL I (2011)
Şef.lucr.dr.LAVINIA NOVEANU 40
(d) Canale intercelulare - CONEXONII
CARACTERISTICI
se găsesc la nivelul joncţiunii permeabile dintre 2 celule formând“gap jonction”
reprezintă sinapse electrice în fibrele musculare cardiace şi netede
sunt permeabile pentru molecule cu diametru mic (apă, electroliţi, mesageri intracelulari, produşi de metabolism)
SUPRIMAREA CONDUCTANŢEI se realizează prin:
acidoză intracelulară (pH↓)
creşterea Ca2+ în una dintre celule
depolarizarea simultană a ambelor celule