Transportul prin membrană

Membrana celulei nu lasă toate substanțele să treacă în același fel. Unele molecule mici pot traversa bistratul lipidic prin difuzie simplă. Altele trec prin proteine ale membranei. Dacă deplasarea urmează diferența de concentrație și nu cere energie furnizată direct de celulă, vorbim despre transport pasiv. Un exemplu este difuzia facilitată: o proteină ajută o substanță să treacă pe direcția gradientului ei.

Uneori celula trebuie să mute ioni sau molecule împotriva gradientului. Atunci folosește transport activ, care depinde de energie. Transportul depinde de proteine membranare care își schimbă conformația și deplasează substanțe. Transportul activ ajută celula să păstreze diferențe importante între interior și exterior. Dacă acestea ar dispărea, multe funcții ar fi afectate.

Particulele prea mari pentru canale sau transportori pot intra prin endocitoză, când membrana le înconjoară și formează o veziculă. Prin exocitoză, o veziculă se unește cu membrana și eliberează conținutul în exterior. O celulă de apărare poate îngloba o particulă, iar o celulă secretoare poate elibera un produs. Pentru fiecare situație, întreabă: ce dimensiune are materialul, în ce direcție se mișcă față de gradient și se folosește energie? Aceste întrebări separă mecanismele.

Transportul prin membrană se clasifică după trei criterii: sensul față de gradientul de concentrație, intervenția unei proteine sau a unei vezicule și consumul de energie.

Transportul pasiv nu consumă energie metabolică. Difuzia simplă are loc direct prin bistratul lipidic. În difuzia facilitată, substanța trece prin proteine membranare: canale (canale ionice, aquaporine pentru apă) sau proteine transportoare, care își schimbă conformația. Difuzia facilitată este specifică (fiecare proteină recunoaște o anumită substanță), saturabilă (viteza nu mai crește când toate proteinele sunt ocupate) și poate fi blocată de inhibitori. Glucoza intră în hematie prin transportorul GLUT1.

Transportul activ mută substanța împotriva gradientului, cu energie obținută din ATP. Pompa $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}/{\mathrm{K}}^{+}$ este o ATP-ază: la fiecare moleculă de ATP hidrolizată scoate $3$ ioni $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ și introduce $2$ ioni ${\mathrm{K}}^{+}$. Ea menține $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ la aproximativ $145mmol/L$ în exterior și $12mmol/L$ în celulă, iar ${\mathrm{K}}^{+}$ la aproximativ $140mmol/L$ în celulă și $4mmol/L$ în exterior.

Transportul vezicular consumă ATP și este folosit pentru particule sau molecule mari. Endocitoza cuprinde fagocitoza (macrofagul înglobează o bacterie), pinocitoza (preluarea unei picături de lichid) și endocitoza mediată de receptori (preluarea colesterolului din particulele LDL). Exocitoza eliberează conținutul unei vezicule în exterior: secreția insulinei de către celulele pancreatice, eliberarea neurotransmițătorilor în fanta sinaptică, secreția enzimelor digestive. Prin exocitoză aria membranei crește, prin endocitoză scade, astfel încât suprafața celulei rămâne aproximativ constantă.

Exemplu rezolvat 1: bilanțul unei pompe. Într-un model didactic, o pompă $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}/{\mathrm{K}}^{+}$ efectuează $600$ de cicluri. Calculează ionii mutați, ATP-ul consumat și sarcina transferată.

1. Ioni $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ scoși: $600\cdot 3=1800$.
2. Ioni ${\mathrm{K}}^{+}$ introduși: $600\cdot 2=1200$.
3. ATP consumat: $600$ de molecule, câte una pe ciclu.
4. Din celulă ies $1800$ de sarcini pozitive și intră $1200$, deci diferența este de $600$ de sarcini pozitive scoase: pompa contribuie la negativitatea interiorului celulei.

Exemplu rezolvat 2: încadrarea unor procese. Stabilește tipul de transport pentru: (a) intrarea ${\mathrm{O}}_2$ în hematie; (b) intrarea glucozei într-o hematie care are $1mmol/L$ glucoză, din plasmă cu $5mmol/L$; (c) acumularea iodurii în celulele tiroidei la o concentrație mai mare decât în sânge; (d) înglobarea unei bacterii de către un neutrofil.

1. (a) Moleculă mică și nepolară, spre concentrația mai mică, fără proteină: difuzie simplă.
2. (b) Sensul este de la $5$ la $1mmol/L$, deci în sensul gradientului; glucoza este polară și folosește un transportor, fără ATP: difuzie facilitată.
3. (c) Concentrația crește împotriva gradientului, deci cu consum de energie: transport activ.
4. (d) Particulă mare, înconjurată de membrană care formează o veziculă: fagocitoză, un tip de endocitoză.

Transportul activ secundar folosește energia gradientului de $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ creat de pompă. În celulele epiteliului intestinal și în tubul contort proximal al nefronului, simportul $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$–glucoză aduce glucoza în celulă împotriva gradientului ei; glucoza iese apoi spre sânge prin difuzie facilitată. În celulele parietale ale stomacului, pompa ${\mathrm{H}}^{+}/{\mathrm{K}}^{+}$ (ATP-ază) secretă ionii ${\mathrm{H}}^{+}$ din acidul clorhidric; inhibitorii ei, de exemplu omeprazolul, reduc aciditatea gastrică. Digoxina inhibă pompa $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}/{\mathrm{K}}^{+}$.

Cinetica diferă: difuzia simplă are viteza proporțională cu gradientul, pe când difuzia facilitată și transportul activ se saturează. Două substanțe înrudite pot concura pentru același transportor: glucoza și galactoza, de exemplu.

Defectele proteinelor de transport produc boli. În fibroza chistică, mutațiile genei $CFTR$ (cel mai frecvent $\Delta F508$) alterează un canal pentru ionii $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$ din epiteliile secretoare; secrețiile devin vâscoase, iar concentrația clorurilor în transpirație crește. În hipercolesterolemia familială, receptorii pentru LDL sunt absenți sau defecți, endocitoza mediată de receptori nu mai poate prelua LDL din sânge, iar colesterolul din plasmă crește.

Exemplu în format de admitere (complement simplu). Care dintre următoarele procese are loc fără consum direct de ATP, deși implică o proteină membranară?

• a) funcționarea pompei $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}/{\mathrm{K}}^{+}$
• b) exocitoza insulinei
• c) intrarea glucozei în hematie prin GLUT1
• d) endocitoza LDL mediată de receptori
• e) funcționarea pompei de protoni din celulele parietale gastrice

Răspuns: c. a) este falsă: pompa hidrolizează ATP. b) este falsă: transportul vezicular consumă ATP. c) este adevărată: difuzia facilitată urmează gradientul. d) este falsă: endocitoza consumă ATP. e) este falsă: pompa ${\mathrm{H}}^{+}/{\mathrm{K}}^{+}$ este o ATP-ază.

Greșeli frecvente

• Greșit: Orice transport printr-o proteină consumă ATP.
  Corect: Difuzia facilitată folosește proteine, dar este pasivă.
• Greșit: Endocitoza înseamnă trecerea unei molecule printr-un canal.
  Corect: Membrana formează o veziculă în jurul materialului.
• Greșit: Transportul activ introduce întotdeauna substanțele în celulă.
  Corect: Sensul se raportează la gradient; pompa $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}/{\mathrm{K}}^{+}$ scoate $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ din celulă și introduce ${\mathrm{K}}^{+}$.
• Greșit: Exocitoza nu consumă energie, fiindcă substanța iese spre un mediu mai diluat.
  Corect: Formarea, deplasarea și fuziunea veziculelor consumă ATP, indiferent de gradientul conținutului.

Înainte și după