TRANSPORTUL CELULAR: TIPURI ȘI CARACTERISTICILE ACESTORA - BIOLOGIE

Celula de transport implică trafic și mișcarea moleculelor între interiorul și exteriorul celulelor. Schimbul de molecule între aceste compartimente este un fenomen esențial pentru funcționarea corectă a organismului și mediază o serie de evenimente, cum ar fi potențialul membranei, pentru a numi câteva.

Membranele biologice nu sunt responsabile numai de delimitarea celulei, dar joacă un rol indispensabil în traficul de substanțe. Au o serie de proteine care traversează structura și, foarte selectiv, permit sau nu intrarea anumitor molecule.

Sursa: LadyofHats, prin Wikimedia Commons

Transportul celular este clasificat în două tipuri principale, în funcție de faptul dacă sistemul folosește sau nu direct energia.

Transportul pasiv nu necesită energie, iar moleculele sunt capabile să traverseze membrana prin difuzie pasivă, prin canale apoase sau prin molecule transportate. Direcția transportului activ este determinată exclusiv de gradienții de concentrație între ambele părți ale membranei.

În schimb, cel de-al doilea tip de transport necesită energie și se numește transport activ. Datorită energiei injectate în sistem, pompele pot deplasa moleculele împotriva gradienților lor de concentrație. Cel mai notabil exemplu din literatura de specialitate este pompa sodiu-potasiu.

Bazele teoretice

-Membre celulare

Pentru a înțelege modul în care traficul de substanțe și molecule are loc între celulă și compartimentele adiacente, este necesar să se analizeze structura și compoziția membranelor biologice.

-Lipide în membrane

De Jpablo cad, de la Wikimedia Commons

Celulele sunt înconjurate de o membrană subțire și complexă de natură lipidică. Componenta de bază sunt fosfolipidele.

Acestea sunt formate dintr-un cap polar și cozi apolare. Membranele sunt compuse din două straturi de fosfolipide - „straturi lipidice” - în care cozile sunt grupate în interior, iar capetele se confruntă cu fețele suplimentare și intracelulare.

Moleculele care au zone polare și apolare sunt numite amfipate. Această proprietate este crucială pentru organizarea spațială a componentelor lipidelor din membrane.

Această structură este împărtășită de membranele care înconjoară compartimentele subcelulare. Nu uitați că mitocondriile, cloroplastele, veziculele și alte organule sunt, de asemenea, înconjurate de o membrană.

Pe lângă fosfogliceride sau fosfolipide, membranele sunt bogate în sfingolipide, care au scheleturi formate dintr-o moleculă numită sfingosină și steroli. În acest ultim grup găsim colesterolul, o lipidă care modulează proprietățile membranei, cum ar fi fluiditatea acesteia.

-Proteine din membrane

Figura 1. Schema modelului de mozaic fluid. Sursa: De LadyofHats Mariana Ruiz, traducere Pilar Saenz, prin Wikimedia Commons

Membrana este o structură dinamică, care conține proteine multiple în interior. Proteinele cu membrană acționează ca un fel de „gatekeepers” moleculari sau „paznici” care definesc cu mare selectivitate cine intră și cine părăsește celula.

Din acest motiv, se spune că membranele sunt semi-permeabile, deoarece unii compuși reușesc să intre și alții nu.

Nu toate proteinele care se află în membrană sunt responsabile de medierea traficului. Alții sunt responsabili de captarea semnalelor externe care produc un răspuns celular la stimuli externi.

-Selectivitatea membranei

Interiorul lipidic al membranei este puternic hidrofob, ceea ce face membrana extrem de impermeabilă la trecerea moleculelor de natură polară sau hidrofilă (acest termen înseamnă „îndrăgostit de apă”).

Aceasta implică o dificultate suplimentară pentru trecerea moleculelor polare. Cu toate acestea, tranzitul moleculelor solubile în apă este necesar, astfel încât celulele să aibă o serie de mecanisme de transport care permit mișcarea eficientă a acestor substanțe între celulă și mediul extern.

În mod similar, moleculele mari, precum proteinele, trebuie transportate și necesită sisteme specializate.

-Difuzie și osmoză

Mișcarea particulelor prin membranele celulare are loc după următoarele principii fizice.

Aceste principii sunt difuzia și osmoza și se aplică mișcării soluților și solvenților într-o soluție printr-o membrană semi-permeabilă - cum ar fi membranele biologice care se găsesc în celulele vii.

Difuzia este procesul care implică mișcarea termică aleatorie a particulelor suspendate de la regiuni cu concentrații mari la regiuni de concentrație mai mică. Există o expresie matematică care încearcă să descrie procesul și se numește ecuația de difuzie Fick, dar nu ne vom aprofunda.

Având în vedere acest concept, putem defini termenul de permeabilitate, care se referă la viteza cu care o substanță reușește să pătrundă pasiv în membrană într-o serie de condiții specifice.

Pe de altă parte, apa se deplasează și de-a lungul gradientului său de concentrație într-un fenomen numit osmoză. Deși pare inexact să ne referim la concentrația de apă, trebuie să înțelegem că lichidul vital se comportă ca orice altă substanță, în ceea ce privește difuzarea sa.

-Tonicity

Ținând cont de fenomenele fizice descrise, concentrațiile care există atât în interiorul celulei, cât și în exterior vor determina direcția de transport.

Astfel, tonicitatea unei soluții este răspunsul celulelor cufundate într-o soluție. Există o anumită terminologie aplicată acestui scenariu:

Izotonice

O celulă, țesut sau soluție este izotonică față de alta dacă concentrația este egală în ambele elemente. Într-un context fiziologic, o celulă cufundată într-un mediu izotonic nu va suferi nicio schimbare.

hipoton

O soluție este hipotonică în ceea ce privește celula dacă concentrația de solute este mai mică în exterior - adică celula are mai multe soluții. În acest caz, tendința apei este de a intra în celulă.

Dacă am pune globule roșii în apă distilată (care este lipsită de solutii), apa ar intra până când vor izbucni. Acest fenomen se numește hemoliză.

hypertonic

O soluție este hipertonică în ceea ce privește celula dacă concentrația de solute este mai mare la exterior - adică celula are mai puține solute.

În acest caz, tendința apei este de a părăsi celula. Dacă punem globulele roșii într-o soluție mai concentrată, apa din celulele sanguine tinde să se scurgă, iar celula are un aspect ridat.

Aceste trei concepte au relevanță biologică. De exemplu, ouăle unui organism marin trebuie să fie izotonice în raport cu apa de mare pentru a nu izbucni și a nu pierde apă.

În mod similar, paraziții care trăiesc în sângele mamiferelor trebuie să aibă o concentrație de soluții similare cu mediul în care acestea se dezvoltă.

-Influenta electrica

Când vorbim despre ioni, care sunt particule încărcate, mișcarea prin membrane nu este condusă exclusiv de gradienți de concentrație. În acest sistem, trebuie luate în considerare tarifele solutiilor.

Ionul tinde să se îndepărteze de regiunile în care concentrația este mare (așa cum este descris în secțiunea despre osmoză și difuzie) și, de asemenea, dacă ionul este negativ, va avansa către regiunile în care există un potențial negativ tot mai mare. Amintiți-vă că diferitele taxe atrag și ca și taxele se resping.

Pentru a prezice comportamentul ionului, trebuie să adăugăm forțele combinate ale gradientului de concentrație și gradientului electric. Acest nou parametru se numește gradient electrochimic net.

Tipurile de transport celular sunt clasificate în funcție de utilizarea - sau nu - a energiei de către sistem în mișcări pasive și active. Vă vom descrie fiecare în detaliu mai jos:

Transport transmembran pasiv

Mișcările pasive prin membrane implică trecerea moleculelor fără a fi nevoie directă de energie. Deoarece aceste sisteme nu implică energie, depinde exclusiv de gradienții de concentrație (inclusiv cei electrici) care există pe toată membrana plasmatică.

Deși energia responsabilă pentru mișcarea particulelor este stocată în astfel de gradienți, este adecvat și convenabil să continuăm să considerăm procesul ca fiind pasiv.

Există trei moduri elementare prin care moleculele pot trece dintr-o parte în alta pasiv:

Difuzie simplă

Cel mai simplu și mai intuitiv mod de transport a unui solut este acela de a traversa membrana în urma gradienților menționați mai sus.

Molecula difuză prin membrana plasmatică, lăsând faza apoasă deoparte, se dizolvă în porțiunea lipidică și intră în final în porțiunea apoasă din interiorul celulei. Același lucru se poate întâmpla în direcția opusă, de la interiorul celulei la exterior.

Trecerea eficientă prin membrană va fi determinată de nivelul de energie termică pe care îl are sistemul. Dacă este suficient de mare, molecula va putea traversa membrana.

Văzută mai detaliat, molecula trebuie să rupă toate legăturile de hidrogen formate în faza apoasă pentru a putea trece la faza lipidică. Acest eveniment necesită 5 kcal de energie cinetică pentru fiecare legătură prezentă.

Următorul factor de luat în considerare este solubilitatea moleculei din zona lipidelor. Mobilitatea este influențată de o varietate de factori, cum ar fi greutatea moleculară și forma moleculei.

Cinetica trecerii prin difuzie simplă prezintă o cinetică a nesaturației. Aceasta înseamnă că intrarea crește proporțional cu concentrația solutului care trebuie transportat în regiunea extracelulară.

Canalele apoase

A doua alternativă pentru trecerea moleculelor pe calea pasivă este printr-un canal apos situat în membrană. Aceste canale sunt un fel de pori care permit trecerea moleculei, evitând contactul cu regiunea hidrofobă.

Anumite molecule încărcate reușesc să intre în celulă urmând gradientul lor de concentrație. Datorită acestui sistem de canale pline de apă, membranele sunt foarte impermeabile pentru ioni. Printre aceste molecule se remarcă sodiul, potasiul, calciul și clorul.

Molecula purtătoare

Ultima alternativă este combinația solutului de interes cu o moleculă purtătoare care își maschează natura hidrofilă, astfel încât să treacă prin porțiunea bogată în lipide a membranei.

Transportorul crește solubilitatea lipidică a moleculei care trebuie transportată și favorizează trecerea acesteia în favoarea gradientului de concentrație sau a gradientului electrochimic.

Aceste proteine purtătoare funcționează în moduri diferite. În cel mai simplu caz, un solut este transferat dintr-o parte a membranei în cealaltă. Acest tip se numește uniport. Dimpotrivă, dacă un alt solut este transportat simultan sau cuplat, transportorul se numește cuplat.

Dacă transportorul cuplat mișcă cele două molecule în aceeași direcție, este un simport și dacă o face în direcții opuse, transportorul este anti-suport.

Osmoză

Osmose2-fr.png: PsycHoTiKderivative Lucrare: Ortisa, prin Wikimedia Commons

Este tipul de transport celular în care un solvent trece selectiv prin membrana semipermeabilă.

Apa, de exemplu, tinde să treacă în partea celulei unde concentrația sa este mai mică. Mișcarea apei pe această cale generează o presiune numită presiune osmotică.

Această presiune este necesară pentru a regla concentrația substanțelor din celulă, care afectează apoi forma celulei.

Ultrafiltrarea

În acest caz, mișcarea unor solute este produsă prin efectul unei presiuni hidrostatice, de la zona cu cea mai mare presiune la cea cu o presiune mai mică. În corpul uman, acest proces are loc la rinichi datorită tensiunii arteriale generate de inimă.

În acest fel, apa, urea, etc., trece din celule în urină; iar hormonii, vitaminele etc., rămân în sânge. Acest mecanism este cunoscut și sub numele de dializă.

Diseminarea facilitată

Există substanțe cu molecule foarte mari (cum ar fi glucoza și alte monosacharide), care au nevoie de o proteină purtătoare pentru a difuza. Această difuzie este mai rapidă decât difuzarea simplă și depinde de:

Gradientul de concentrație al substanței.
Cantitatea de proteine purtătoare prezente în celulă.
Viteza proteinelor prezente.

Una dintre aceste proteine transportoare este insulina, care facilitează difuzarea glucozei, reducând concentrația în sânge.

Transport activ transmembranar

Până acum am discutat despre trecerea diferitelor molecule prin canale fără costuri energetice. În aceste evenimente, singurul cost este generarea energiei potențiale sub formă de concentrații diferențiale pe ambele părți ale membranei.

În acest fel, direcția de transport este determinată de gradientul existent. Solutele încep să fie transportate urmând principiile de difuzie menționate anterior, până când ajung la un punct în care se termină difuzarea netă - în acest moment a fost atins un echilibru. În cazul ionilor, mișcarea este influențată și de încărcare.

Cu toate acestea, singurul caz în care distribuția ionilor de pe ambele părți ale membranei este într-un adevărat echilibru este atunci când celula este moartă. Toate celulele vii investesc o cantitate mare de energie chimică pentru a menține concentrațiile de solutie în afara echilibrului.

Energia folosită pentru a menține aceste procese active este, în general, molecula de ATP. Adenosina trifosfat, prescurtată ca ATP, este o moleculă de energie fundamentală în procesele celulare.

Caracteristici de transport activ

Transportul activ poate acționa împotriva gradienților de concentrare, indiferent cât de abrupți ar fi - această proprietate va deveni clară cu explicația pompei de sodiu-potasiu (vezi mai jos)

Mecanismele de transport active pot deplasa mai mult de o clasă de molecule simultan. Pentru transportul activ, se folosește aceeași clasificare menționată pentru transportul mai multor molecule simultan în transportul pasiv: symport și anti-suport.

Transportul prin aceste pompe poate fi inhibat prin aplicarea de molecule care blochează în mod specific siturile cruciale pe proteină.

Cinetica de transport este de tip Michaelis-Menten. Ambele comportamente - fiind inhibate de o moleculă și de cinetică - sunt caracteristici tipice ale reacțiilor enzimatice.

În cele din urmă, sistemul trebuie să aibă enzime specifice care să poată hidroliza molecula de ATP, cum ar fi ATPazele. Acesta este mecanismul prin care sistemul obține energia care îl caracterizează.

Selectivitatea transportului

Pompele implicate sunt extrem de selective în moleculele care vor fi transportate. De exemplu, dacă pompa este un purtător de ioni de sodiu, nu va lua ioni de litiu, deși ambii ioni au dimensiuni foarte similare.

Se presupune că proteinele sunt capabile să discerne între două caracteristici de diagnostic: ușurința de deshidratare a moleculei și interacțiunea cu sarcinile din interiorul porului transportorului.

Se știe că ionii mari se deshidratează ușor, comparativ cu un ion mic. Astfel, un por cu centre polare slabe va folosi ioni mari, de preferință.

În schimb, în canalele cu centre puternic încărcate, predomină interacțiunea cu ionul deshidratat.

Exemplu de transport activ: pompa sodiu-potasiu

Pentru a explica mecanismele de transport activ, cel mai bine este să îl faci cu cel mai bine studiat model: pompa sodiu-potasiu.

O caracteristică izbitoare a celulelor este capacitatea de a menține gradații abrupte ale ionilor de sodiu (Na ⁺ ) și potasiu (K ⁺ ).

În mediul fiziologic, concentrația de potasiu din interiorul celulelor este de 10-20 de ori mai mare decât celulele exterioare. În schimb, ionii de sodiu sunt mult mai concentrați în mediul extracelular.

Cu principiile care guvernează mișcarea ionilor într-un mod pasiv, ar fi imposibil să se mențină aceste concentrații, prin urmare, celulele necesită un sistem de transport activ și aceasta este pompa sodiu-potasiu.

Pompa este alcătuită dintr-un complex proteic de tip ATPase ancorat la membrana plasmatică a tuturor celulelor animale. Aceasta are site-uri de legare pentru ambii ioni și este responsabilă pentru transportul cu injecția de energie.

Cum funcționează pompa?

În acest sistem, există doi factori care determină mișcarea ionilor între compartimentele celulare și extracelulare. Primul este viteza cu care acționează pompa sodiu-potasiu, iar al doilea factor este viteza cu care ionul poate intra din nou în celulă (în cazul sodiului), datorită evenimentelor de difuzie pasivă.

În acest fel, viteza cu care intră ionii în celulă determină viteza cu care pompa trebuie să funcționeze pentru a menține o concentrație de ioni adecvată.

Funcționarea pompei depinde de o serie de modificări conformaționale ale proteinei care este responsabilă cu transportul ionilor. Fiecare moleculă de ATP este hidrolizată direct, în proces, trei ioni de sodiu părăsesc celula și, în același timp, doi ioni de potasiu intră în mediul celular.

Transport în masă

Este un alt tip de transport activ care ajută la mișcarea macromoleculelor, cum ar fi polizaharidele și proteinele. Poate fi dat de:

-Endocytosis

Există trei procese de endocitoză: fagocitoză, pinocitoză și endocitoză mediată de ligand:

Fagocitoză

Fagocitoza tipul de transport în care o particulă solidă este acoperită de o vezicule sau fagozom format din pseudopode fuzionate. Acea particulă solidă care rămâne în interiorul veziculei este digerată de enzime și ajunge astfel în interiorul celulei.

Așa funcționează globulele albe din sânge în organism; înglobează bacteriile și corpurile străine ca mecanism de apărare.

pinocitoză

Nutriția protozoarelor. Pinocitoză. Imagine de: Jacek FH (derivat de la Mariana Ruiz Villarreal). Luate și editate de la https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pinocitoză.svg.

Pinotitoza apare atunci când substanța care trebuie transportată este o picătură sau vezicule de lichid extracelular, iar membrana creează o vezicule pinocitică în care este prelucrat conținutul veziculei sau picăturii, astfel încât să revină la suprafața celulei.

Endocitoza prin intermediul unui receptor

Este un proces similar cu pinocitoza, dar în acest caz, invaginarea membranei are loc atunci când o anumită moleculă (ligand) se leagă de receptorul membranei.

Mai multe vezicule endocitice se alătură și formează o structură mai mare numită endosom, care este locul în care ligandul este separat de receptor. Receptorul revine apoi la membrană, iar ligandul se leagă de un lipozom în care este digerat de enzime.

-Exocytosis

Este un tip de transport celular în care substanța trebuie transportată în afara celulei. În timpul acestui proces, membrana veziculară secretorie se leagă de membrana celulară și eliberează conținutul veziculei.

În acest fel, celulele elimină substanțele sintetizate sau deșeurile. Acesta este și modul în care eliberează hormoni, enzime sau neurotransmițători.

Referințe

Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologie: Viața pe Pământ. Educația Pearson.
Donnersberger, AB, & Lesak, AE (2002). Cartea laboratorului de anatomie și fiziologie. Editorial Paidotribo.
Larradagoitia, LV (2012). Anatomofiziologie de bază și patologie. Editorial Paraninfo.
Randall, D., Burggren, WW, Burggren, W., franceză, K., & Eckert, R. (2002). Fiziologia animalelor Eckert Macmillan.
Vivi, À. M. (2005). Fundamentele fiziologiei activității fizice și sportului. Editura Medicală Panamericană.

TRANSPORTUL CELULAR: TIPURI ȘI CARACTERISTICILE ACESTORA - BIOLOGIE - 2025