Membrana celulară

Membrana celulară este o structură care delimitează două compartimente - compartimentul extracelular şi compartimentul intracelular

Rolul membranei celulare: Transmitere de informaţie; Transport selectiv de substanţe; Diferenţa de potenţial.

Funcţiile membranei(după I. Haulică,2007, modificat)

Asigurarea distribuţiei asimetrice a componentelor ionice; Transfer de informaţie intra- şi intercelulară; Rol de apărare şi secreţie prin fagocitoză, end- şi exocitoză; Rol în recunoaştere intercelulară şi apărarea imunitară; Reglarea şi limitarea creşterii organelor; Roluri metabolice intracelulare (energia ATP); Adezivitatea şi relaţiile intercelulare; Participarea la mecanismele etiopatogenice.

Funcţiile proteinelor membranare

Sistemul de transport ionic membranar (STIM)

- Canale ionice - Pompe ionice - Transportori ionici

Canale ionice

1. Canale ionice controlate (gated)

controlate (gated) - de voltaj controlate (gated) – de mediator controlate (gated) – mecanic

2.Canale ionice fără poartă necontrolate (nongated)

Canale ionice fără poartă (de repaus)

Clasificare: K+, Na+, Ca2+, Cl asigură menţinerea potenţialului de

repaus prin transportul ionic pasiv, în

echilibru cu transportul activ primar şi

secundar fluxul ionic de cca. 1000 de ori mai

redus decât cel prin canale ionice

controlate (cu poartă)

Canale ionice cu poartăParticularităţi: -permit un flux contolat mai rapid. -participă la generarea, transmiterea

sau modularea potenţialului de acţiune -prezintă o diversitate mai mare -reprezintă principala ţintă terapeutică

Canale ionice cu poartă Voltaj dependente

Canale de Na+ voltaj- dependenteidentificat 1970

Canale ionice cu poartă Controlate chimic

Canale ionice cu poartă Controlate mecanic

POMPE IONICE

transportă activ ioni, molecule organice

implică reacţii enzimaticerată mică de transport

Transportori ionici

- Na/Ca - Na/H - Cl/HCO3 - - Na/ aa, Na/G - Na/HCO3 - Na/K/2Cl - K/Cl

Tipuri de transport membranarProcesele de transport celular sunt realizate de anumite proteine membranare. Acestea sunt proteine implicate în deplasarea ionilor, moleculelor mici, macromoleculelor, etc. prin membrana.

Tipuri de transport: Sistemele de microtransport

1. Transport pasiv:Ex. difuzie, difuzie facilitată,osmoza, filtraţia

2. Transport activ:Ex. transportul macromoleculelor, pompa de sodiu/potasiu Se realizeaza prin intermediul mai multor tipuri de proteine:

canale ionice, molecule transportor (carriers) şi “pompe”. 1/6 din genomul uman codifică proteine de transport.

2. Sistemele de macrotransport endocitoza (pinocitoza, fagocitoza) exocitoza transcitoza – trecerea unor vezicule cu

proteine prin peretele capilar coloidopexia - inglobarea macromoleculelor

electronegative coloidale in SRE rofeocitoza-iglobarea fierului in hematii

Pasiv: transportul prin canale ionice

canalele ionice au un por central deschis atât extra- cât şi intra-celular;

transportul este relativ rapid;

transportul are loc în direcia gradientului electrochimic al ionilor respectivi;

Pasiv: transportul prin “carriers” (molecule transportor)

Moleculele transportor (“carriers”):•sunt proteine transmembranare deschise alternativ pe o parte sau alta amembranei;•transportul este mai lent faţa de cel mediat de canalele ionice;mediaza “difuzia facilitata”; Ex.: transportul glucozei;

Transportul activ primar

Decurge cu consum de energie obinuta prin hidroliza ATP-lui;

Exista 3 tipuri de ATP-aze: F, V si P.

Pompa de sodiu (ATP-aza de Na+-K+) este o ATP-aza de tip P.

Pe baza energiei furnizate de hidroliza unei molecule de ATP scoate 3 ioni de Na+ din celula şi introduce 2 ioni de K+;

Transportul activ secundar (cotransport)

Transportul “cuplat” care nu utilizeaza ATP = transport activ secundar

transportul unei substane în sensul gradientului de concentraie poate fi folosit pentru a transporta altă molecula sau ion împotriva gradientului de concentraie sau electrochimic;

Cotransport (simport) = ambii ioni sunt transportaţi în aceeaşi direcţie;

Contratransport = sunt transportaţi în direcii diferite; ex. transportul Na+ este cuplat cu alţi ioni;

cotransportul Na+/H+, Na+/Ca2+, etc

Transportul activ secundar

Fiziologia ţesuturilor excitabileExcitabilitatea este capacitatea de-a răspunde la excitaţie în

mod specializat, orientat, cu o viteză maximă.Excitabilitatea, metabolizmul şi reproducerea sunt proprietăţi

biologice fundamentale.Excitaţia este un fenomen biologic complicat care se

caracterizează prin modificarea proceselor metabolice şi termogenice, prin depolarizarea temporară a membranei celulare cu generarea potenţialului de acţiune şi alte manifestări fiziologice şi biofizice specifice.

Ţesuturi excitabile sunt:a) Ţesutul nervos;b) Ţesutul muscular;c) Ţesutul glandular.Restul ţesuturilor posedă capacitatea de-a reacţiona la acţiunea

stimulurilor prin modificări structurale şi fizico-chimice

Legile generale ale excitabilităţii

Intensitatea pragală a excitantului Modificări membranare locale în răspuns la

stimularea subliminală Reacţia maximală la intensitatea pragală Perioada de latenţă Modificări de excitabilitate

Excitanţii

1) fizici (mecanici, termici, electrici, sonori etc.);

2) chimici ( acizi, alcaline etc.)

3) fizico-chimici ( pH, presiune osmotică etc.)

4) adecvaţi 5) neadecvaţi

Excitantii se caracrerizează prin:

Intensitate Subpragală (RL) Pragală (PA) Suprapragală (PA)

Reobaza –intensitatea minimă (pragală) a stimulului electric care generează PA

Durată:

Durata minimă de acţiune a stimullului pragal care provoaca PA- timp util

Cronaxia – timpul util a stimulului electric cu valoarea de 2 reobaze

Fig. I.16. Curba intensitate-timp.A-B – reobaza; C – timpul util, D-E – reobaza dublă, F – cronaxia

Bruscheţea creşterii intensităţii

stimulului - fenomenul de acomodare

Potenţialul de repaus

POTENŢIALUL DE REPAUS (PR) reprezintă diferenţa de potenţial între suprafaţa internă (electric negativă) şi

suprafaţa externă (electric pozitivă) a membranei neuronale în condiţii de repaus funcţional

valoarea - 60 mV → - 90 mV cauza → repartiţia neuniformă a ionilor de o parte şi de alta a membr.

− permeabilitatea selectivă a membr. ( K+ > Na+ ) − prezenţa ATP-azei Na+ / K+

− - Echilibrul Donnan

K+

Na++ + + + + +

+ +

++++

–– –

– –

–––

–

–– –

înregistrareapotenţialuluide repaus

POTENŢIALUL DE REPAUS

extracelular

membranacelulară

intracelular

Fig. I.9. Potenţialul membranar (de repaus).

A – sistemul de înregistrare;

B – valorile determinate.

În cazul în care membrana este permeabila pentru un singur tip de ion (de ex. K+) potenialul de membrana (Vm) va fi egal cu potenialul de echilibru pentru ionul respectiv (EK) şi poate fi calculat folosind ecuaţia lui Nernst:

R = constanta universala a gazelor T = temperatura absoluta în kelvini (273,15+ToC) Z = sarcina electrica a ionului F= constanta lui Faraday (86.480 coulombi/mol)

Potenialul membranar de repaus, în celulele permeabile pentru mai mulţi ioni se poate calcula cu ecuaţia Goldman-Hodgkin-Katz:

P = permeabilitatea membranei pt. ionii respectiviÎn condiii fiziologice potenialul membranar de repaus al unei celule este între - 40 şi -90

mV.

Valorile potenţialului de echilibru

Potenţialul Ex

pentru ioni

Motoneuronul spinal

Fibra musculară scheletică

E K+

E Na+

E Ca+

E Cl–

– 94 mV

+ 60 mV

+ 130 mV

– 70 mV

– 95 mV

+ 65 mV

+ 120 mV

– 90 mV

POTENŢIALUL DE ACŢIUNE (PA)

reprezintă inversarea rapidă şi complet reversibilă a polarităţii membranei neuronale, care devine electric pozitivă la interior şi electric negativă la exterior

fazele:

perioada de latenţă = 0,1 ms

depolarizarea - până la +30 mV

repolarizarea

postpotenţiale

Fig. I.10. Potenţialul de acţiune.A – sistemul de înregistrare; B – valorile determinate

Mecanismele generării PA

1. Depolarizare lenta – potenţialul pragalSe deschid canalele pentru ionii de sodiu PRM scade de la -70 la -55 mV (NCD)2. Depolarizare rapidă. Inversarea polarităţii – “overshoot”

Se deschid un nr. mare de canale de Na+

Creşte permeabilitatea membranei pentru Na+

Polaritatea membranei atinge punctul izoelectic Se dezvolta spike-ul3. Repolarizare rapidă

Inchiderea canalelor pentru Na+

Deschiderea canalelor pentru K+, canale voltaj-dependente4. Repolarizare lentă - postdepolarizarea sau postpotentialul

vestigial negativSe datorează excesului de sarcini pozitive din celulaNu poate fi compensata de ieşirea K+

5. Posthiperpolarizare / postpotentialul vestigial pozitiv Canalele de K+ sunt deschise

Pompa de Na/K scoate activ Na+ din celulaPMR

Potentialul de actiune

The Action Potential

Both Na+ & K+ channels are closed, and the membrane’s resting potential is maintained.

A stimulus opens some Na+ channels. If the Na+ influx achieves threshold potential, then additional Na+ gates open, triggering an action potential.

Activation gates of the Na+ channels are open, but the K+ channels remain closed. Na+ ions rush into the cell, and the interior of the cell becomes more positive.

Na+ close and potassium channels open. K+ ions leave the cell and the loss of positive charge causes the inside of the cell to become more negative than the outside.

Na+ channels are closed, but the slower K+ remain open. Within a millisecond, the resting state is restored.

Fig.I.11. Variaţiile conductanţei membranare pentru Na+ şi K+ pe parcursul potenţialului de acţiune. gNa+ atinge maximum în prima milisecundă a apariţiei depolarizării; creşterea tardivă a gK+ este responsabilă de repolarizare.

Caracteristicile potenţialului de acţiune(1)

Indicatorul F A Z E L E

Perioada de latenţă

(pre-potenţial)

Depolari-zarea

rapidă

Repolari-zarea

rapidă

Postpotenţial negativ (post-depolarizare)

Postpotenţialul pozitiv (post-repolarizare)

Potenţialul de vârf

Amplitudinea (mV)

Deplasare de la valorile de repaus la cele prag(-90 mV)-(-70 mV) (-75 mV)-(-55 mV)

de la valorile de prag la (+35mV) -(+45 mV) – vârf

de la (+35 mV)-(+45 mV) la 70% din valorile de vârf

de la 70% la valorile de repaus; 5% din PV

Subdenivelare cu 1-2 mV peste valorile de repaus;1-2 % din PV

Durata (ms) 0,1 0,5 1 4 40-50-până la 80-100

Caracteristicile potenţialului de acţiune (2)

Indicatorul F A Z E L E

Perioada de latenţă (pre-

potenţial)

Depolari-zarea

rapidă

Repolari-zarea rapidă

Postpotenţial negativ (post-depolarizare)

Postpotenţialul pozitiv (post-repolarizare)

Potenţialul de vârf

Baza ionică Influx rapid de Na+

Influx rapid de Na+

Sechestrare de Na+

eflux lent de K+

Sechestrare de Na+

eflux maxim de K+

eflux de Na+ şiinflux de K+

Conductanţa ionică

gNa+

500 xgK+ = 0

gNa+

5000 xgK+ = 0

gNa+ = 0

gK+ = 10

gNa+ = 0

gK+ = 40

gNa+ = 0

gK+ = 0

Fig.I.12. Relaţiile de feedback pozitiv, între depolarizarea membranei şi creşterea permeabilităţii pentru Na+, în faza de depolarizare a potenţialului de acţiune.

POTENŢIALUL LOCAL se realizează prin stimularea unei zone limitate a

membranei celulare se manifestă prin:

depolarizare - influx de ioni de Na+ sau Ca2+

caracteristici:− sunt gradate - stimuli mai puternici determină o

depol. mai mare− se sumează temporo-spaţial − dacă prin sumare ating un nivel critic (prag) → va

genera un potenţial de acţiune propagat

POTENŢIALUL LOCAL

-85 mV

Stimul slab Stimul puternic

axon

Potenţialul de acţiune: se propagă la distanţă prin axon, fără decrement şi respectă legea “totul sau nimic”

1. Legea “totul sau nimic”: dacă stimulul depolarizant atinge intensitatea prag se

declanşază potenţialul de acţiuneStimul prag = intensitatea minimă a unui stimul care produce un potenţial de acţiune

* Toate potenţialele de acţiune au amplitudine constantă dependentă de proprietăţile membranei celulare Potenţialul prag

Vm

Potentiale locale Nu se supun legii tot sau

nimic Nu au prag de

depolarizare Nu au perioada refractara Se pot insuma Sunt conduse decremental Durata variaza de

conditiile initiale Pot fi depolarizari sau

hiperpolarizari Pot fi initiate de stimulii

din mediu

Potentiale de actiune Se supune legii tot sau nimic Au prag de depolarizare de

10-15 mV Au perioada refractara Nu se pot insuma Sunt conduse nedecremental,

amplitudinea este constanta Durata este constanta si

specifica pentru fiecare tip de celula

Sunt depolarizari Sunt initiate de depolarizarea

membranei

POTENŢIALUL DE ACŢIUNE

Intensitatea stimulului este codificată în funcţie de frecvenţa potenţialelor de acţiune

-85

0Vm

moderat puternicDiferă de potenţialele locale

Generarea potenţialului de acţiune:

Stimuldepolarizant

chimicelectric

Potenţial localsubprag

Deschiderea canalelor de Na+ voltaj-dependente depolarizare localizată (prepotenţialul)prag

Atingerea potenţialului prag deschiderea mai multor can. de Na+ influx de Na+(depolarizare)

Canalele de Na+ sunt rapid inactivate oprind influxul de Na+

Canalele de K+ voltaj dependente se deschid, eflux de K+ (repolarizare)

Canalele de K+ se închid, potenţialul revenind la valoarea de repaus Vm

Restabilirea echilibrului ionic → pompa Na+ /K+

slab

Modificari de excitabilitate ale membranei

Faza 1 hiperexcitabilitatea Faza 2 excitabilitatea scade brusc la o

perioada refractara absoluta Faza 3 excitabilitatea membranei creste treptat

perioada refractara relativa Faza 4 hiperexcitabilitate Faza 5 hipoexcitabilitate

Fig.I.18. Potenţialul de acţiune, conductanţa membranară şi excitabilitatea. depolarizarea membranară şi perioada refractară absolută: activarea rapidă şi

inactivarea conductanţiei sodice (gNa+); repolarizarea membranară şi perioada refractară relativă: augmentarea foarte

tardivă şi foarte lentă a conductanţei potasice (gK+); postpotenţialele: faza hiperexcitabilităţii (perioada supranormală), prin retenţia

polarizării corespunde efluxului incomplet a ionilor Na+; faza hipo-excitabilităţii (perioada subnormală) rezultă din influxul foarte lent a ionilor K+.

POTENŢIALUL DE ACŢIUNE

T

T POTENŢIALUL PRAG

ENa

EK

Vm

+60

+65

-85

s STIMULUL

s

1

1

2

2

3

3

SPIKE

4

4

5

5

6 POTENŢIALUL DE REPAUS

6

PERIOADA REFRACTARĂ ABSOLUTĂ

PERIOADA REFRACTARĂ RELATIVĂ

REPOLARIZAREA

POSTPOTENŢIAL POZITIV

PREPOTENŢIALUL

DEPOLARIZAREA

Transportul prin difuziune

Rata de difuziune- Valoarea diferenţei de concentraţie;- Permeabilitatea membranei pentru

substanţele de difuzie;- Temperatura soluţiei;- Suprafaţa membranei pentru difuziea) Difuziune liberă;b) Difuziune mediată (fascilitată)

Fig.I.1. Diverse forme de pasaj al substanţelor din exteriorul, în interiorul celulei.

A – Pasajul direct al substanţei (S), prin intermediul transportorului (T)

B – Pasajul substanţei (S), prin traversarea unui canal

C – Pasajul substanţei (S), prin pinocitoză

Transportul prin osmoză

M= Pos [a(H2O)e - a(H2O)i] unde a(H2O)e şi a(H20)i reprezintă activitatea

termodinamică a apei pe suprafaţa extra- şi intracelulară a membranei, iar Pos este permeabilitatea osmotică a membranei.

- Permeabilitatea selectivă- Substanţe osmotic active - Presiunea osmotică

Transportul condiţionat de echilibrul Donnan

ACl

BCl

BNa

ANa

Fig.I.2. Structura proteică a pompei Na+-K+-ATP-ază, încorporată în mem-brana celulară.

Subunitatea α constituie sistemul antiport.

Fig.I.3. Modelul reprezentativ al funcţionării pompei Na+K+-ATP-aza. Lini-ile continue indică direcţia transportului activ, iar lini-ile întrerupte indică direcţia transportului pasiv (difuziunea).

Fig.I.4. Transportul activ secundar. Majus-culele indică concentraţia mare, comparativ cu cea din fluidul contralateral.

Fig.I.5. Transportul prin pinocitoză. Fig.I.6. Transportul prin fagocitoză.

Fig.I.7. Fenomenele de endocitoză şi exocitoză.

Ecuaţia Nernst pentru potenţial de echilibru

Ex = RT/nF log Ci/Ce

Ex =± 61/n log[Ci]/[Ce]

Ek+ = -61log[K+]i/[K+]e= -61mV log27 = -94mV

Fig. I.13. Potenţialul de acţiune în neuron.a – răspunsul local; b – postpotenţialul negativ; c – postpotenţialul

pozitiv

Fig. I.17. Perioada refractară absolută (1) şi refractară relativă (2).Pentru provocarea potenţialului de acţiune, în perioada refractară relativă, intensitatea stimulilor secundari este mai mare, comparativ cu stimulul primar.

Ţesutul glandular

Fig.4.1. Structura funcţională a diferitelor tipuri de celule secretoareA – neuron; B – celulă neurosecretoare; C – celulă endocrină.1 – stimulul provoacă: creşterea permeabilităţii, influxul Ca2+ şi Na+, depolarizarea; 2 – secreţia se realizează în condiţii de: de-polarizare, permeabilitate scăzută, influx Ca2+.

Fig.4.2. Formarea şi realizarea granulelor secretoare. Imediat după exocitoză cu eliberarea granulelor secretoare, sintetizate în aparatul Golgi, este posibilă formarea veziculelor noi prin endocitoză. 1- apa-ratul Golgi; 2 – cisternele Golgi; 3 – vacuolă de condensare; 4 – granulă secretoare; 5 – exocitoză; 6 – endocitoză; 7 – vezicule marginale; 8 – vezicule netede; 9 – lizozomi; 10 – reticul endoplasmic rugos.

Fig.4.3. Cărăuşii neurotransmiţătorilor în membrana neuronului. 1 – 5-HT (serotonina); 2 – glutamat; 3 – GABA; 4 – noradrenalina.

Fig.4.4. Mecanismul secreţiei HCl de către celulele parietale gastrice. 1 – celu-la; 2 – lumen; 3 – metabolism; 4 – carbo-anhidraza; 5 – ATP-aza.

Fig.4.5. Reglarea volumului celulei secretoare.