curs biofizica

Curs de Biofizică

Prof.dr. Cipriana ŞtefănescuDisciplina de Biofizică

şi Fizică medicală

9

Vă rugăm: gândiŃi!

BiofizicaBiofizica membranelormembranelor celularecelulare

I.I. BiomembraneleBiomembranele: : definitiedefinitie, , tipuritipuri sisi roluriroluri fundamentalefundamentale;;

II.II. CaracteristicileCaracteristicile biofizicebiofizice ale ale moleculelormoleculelor membranaremembranare::1.1. ProprietatileProprietatile biofizicebiofizice ale ale fosfolipidelorfosfolipidelor componentecomponente ale ale bistratuluibistratului

membranarmembranar..

2.2. ProprietatileProprietatile biofizicebiofizice ale ale proteinelorproteinelor membranaremembranare. . TopografiaTopografiamoleculelormoleculelor proteiceproteice la la nivelulnivelul bistratuluibistratului lipidiclipidic..

3.3. FluiditateaFluiditatea ((microviscozitateamicroviscozitatea) ) biomembranelorbiomembranelor..

III.III. ModeleModele sisi metodemetode biofizicebiofizice de de studiustudiu al al biomembranelorbiomembranelor; ; UtilizareaUtilizarea izotopilorizotopilor radioactiviradioactivi in in studiulstudiul biomembranelorbiomembranelor

IV.IV. ArhitecturaArhitectura supramolecularasupramoleculara a a membranelormembranelor celularecelulare. . ModelulModelul mozaiculuimozaicului fluid.fluid.

1.1. ModeleModele ale ale membraneimembranei celularecelulare anterioareanterioare modeluluimodelului mozaiculuimozaicului fluidfluid

2.2. DescriereaDescrierea modeluluimodelului mozaiculuimozaicului fluid: fluid: reprezentarereprezentare schematicaschematica sisiargumenteargumente experimentaleexperimentale ��

Complexul de suprafaŃă celularăComplexul de suprafaŃă celulară

SpectrinăActină

Ankirin ă

Carbohidra Ńi

FaŃa citosolică a membranei

1–membrana plasmatică

2 – citoschelet

3 – glicocalix

4 – matrice extracelulară

(4)

(3)

(1)

(2)

membrana plasmatică:

5 - 7 nm

ViațaViața nu nu esteeste posibilposibilăă înîn absențaabsența biomembranelorbiomembranelor..

Marea majoritate a bolilor implicMarea majoritate a bolilor implică ă şi o modificare şi o modificare membranarmembranarăă..

I. I. BiomembraneleBiomembranele: : definițiedefiniție, , tipuritipuri sisiroluriroluri fundamentalefundamentale�� MembraneleMembranele ––

componentecomponente esențialeesențiale ale ale celulelorcelulelor, , avândavând o o serieserie de de roluriroluri fundamentalefundamentale de de care care depinddepind toatetoate funcțiilefuncțiilecelularecelulare. .

�� MembranaMembrana celularcelularăă((membranamembrana plasmaticaplasmatica, , plasmalemaplasmalema) ) esteeste o o structurstructurăă celularcelularăă,, cecedelimiteazdelimiteazăă sisi eventual eventual compartimenteazcompartimenteazăăconŃinutulconŃinutul celularcelular..

I. I. BiomembraneleBiomembranele: : definițiedefiniție, , tipuritipuri sisi

roluriroluri fundamentalefundamentale

TipurileTipurile principaleprincipale de de biomembranebiomembrane –– organizateorganizateîntrîntr--un un sistemsistem de membrane de membrane specific specific fiecfiecăăreirei celulecelule..

I. I. BiomembraneleBiomembranele: : definițiedefiniție, , tipuritipuri sisi rolurirolurifundamentalefundamentale

�� AlteAlte structuristructuri de tip de tip membranarmembranar::–– Membrane strict Membrane strict specializatespecializate ––

sinapticesinaptice, , mielinicemielinice;;

–– BariereBariere tisularetisulare de tip de tip membranarmembranar –– la la nivelulnivelul tubuluitubuluidigestivdigestiv, la , la nivelnivel renal, renal, pulmonarpulmonar, , tegumentartegumentar;;

–– BariereBariere tisularetisulare cu cu rolrolparticular particular înîn organism organism ––barierabariera hematohemato--encefalicencefalicăă, , barierabariera hematohemato--retinianretinianăă;;

I. I. BiomembraneleBiomembranele: : definițiedefiniție, , tipuritipuri sisi rolurirolurifundamentalefundamentale;;

�� RoluriRoluri fundamentalefundamentale::–– BariereBariere antientropiceantientropice fluidefluide și și rezistenterezistente, , înîn remaniereremaniere perpetuperpetuăă. .

EntropieEntropie::

I. I. BiomembraneleBiomembranele: : definițiedefiniție, , tipuritipuri sisi

rolurirolurifundamentalefundamentale;;

–– StructuriStructuri cu cu permeabilitatepermeabilitate selectivselectivăă –– care care asigurasigurăă schimbulschimbul de de materiematerie,, care se care se poatepoateproduce produce datoritdatorităă faptuluifaptului ccăă celulelecelulele suntsuntsistemesisteme termodinamicetermodinamice deschisedeschise..

�� MembranaMembrana plasmaticplasmaticăă –– asigurasigurăă prinprinfenomenefenomene de transport:de transport:

–– ReglareaReglarea volumuluivolumului celularcelular, , menținereamenținereapHpH--uluiului intracelularintracelular și a și a compozițieicompoziției ioniceioniceînîn limitelimite strânsestrânse; ; extrageextrage din din mediumediu””combustibilcombustibil”” metabolic și metabolic și ””materialemateriale de de construcțieconstrucție”,”, dardar elimineliminăă substanțelesubstanțeletoxicetoxice; ; genereazgenereazăă gradiențigradienți ioniciionici --esențialesențial pentrupentru excitabilitateaexcitabilitatea nervoasnervoasăă și și muscularmuscularăă..

�� MembraneleMembranele intracelulareintracelulare -- asigurasigurăătransportultransportul unorunor moleculemolecule întreîntre diferitediferite

compartimentecompartimente celularecelulare..


�� RoluriRoluri fundamentalefundamentale::–– AsigurAsigurăă comunicareacomunicarea

intercelularintercelularăă prinprin transducțiatransducțiasemnalelorsemnalelor și deși de transfertransfer alalinformațieiinformației la la distanțădistanță..

Receptori absenŃi sau in numărredus in

Hipercolesterolemia familiala

Exemplu de rol in comunicareacelulara in patologie


–– FuncțieFuncție de de suportsuport alalactivitactivităățiițiienzimaticeenzimatice..

–– FuncțieFuncție dedecapturcapturăă și și transformaretransformare de de energieenergie..

–– FuncțieFuncție de de recunoaștererecunoaștere și și de de aderențăaderențăîntreîntre celulecelule

RoluriRolurifundamentalefundamentale::

schemaschema de de ansambluansamblu

BiomembranaBiomembrana::schemaschema de de ansambluansamblu

I. I. BiomembraneleBiomembranele: : definițiedefiniție, , tipuritipuri sisi rolurirolurifundamentalefundamentale

�� CaracteristiciCaracteristici esentialeesentiale::–– StructurStructurăă laminarlaminarăă; 5; 5--7 nm7 nm–– SuntSunt activeactive metabolicmetabolic;;–– PredominPredominăă interacțiunileinteracțiunile nnononcovalentecovalente;;–– SuntSunt stabilestabile termodinamictermodinamic;;–– SuntSunt formateformate din din lipidelipide sisi proteineproteine

II. II. CaracteristicileCaracteristicile biofizicebiofizice ale ale moleculelormoleculelormembranaremembranare::1. 1. ProprietatileProprietatile biofizicebiofizice ale ale fosfolipidelorfosfolipidelor

componentecomponente ale ale bistratuluibistratului membranarmembranar..

2. 2. ProprietatileProprietatile biofizicebiofizice ale ale proteinelorproteinelormembranaremembranare. . TopografiaTopografia moleculelormoleculelor proteiceproteice la la nivelulnivelul bistratuluibistratului lipidiclipidic..

3. 3. FluiditateaFluiditatea ((microvîscozitateamicrovîscozitatea) ) biomembranelorbiomembranelor..

II.1. II.1. ProprietatileProprietatile biofizicebiofizice ale ale fosfolipidelorfosfolipidelor componentecomponenteale ale

bistratuluibistratului membranarmembranar

ProprietatileProprietatile biofizicebiofizice ale ale fosfolipidelorfosfolipidelorcomponentecomponenteale ale bistratuluibistratului membranarmembranar

LipideleLipidele membranaremembranare sunt sunt amfipaticeamfipatice..

ImagineaImaginea in microscopie in microscopie electronicaelectronica


ExistExistă ă 3 tipuri de lipide 3 tipuri de lipide membranaremembranare, toate , toate amfipaticeamfipatice::

fosfolipidefosfolipide, , sterolisteroli si si glicolipideglicolipide..


FosfatidilcolinaFosfatidilcolina este cel mai cunoscut tip de este cel mai cunoscut tip de fosfolipidfosfolipid..

Colesterolul este in cea mai mare parte Colesterolul este in cea mai mare parte hidrofobhidrofob. . Dar are o grupare polara, Dar are o grupare polara, hidroxilhidroxil, care , care ilil face face

amfipaticamfipatic.. ColesterolulColesterolul umple spatiile l umple spatiile lăăsate de sate de porŃiunile neliniare; rigidizează porŃiunile neliniare; rigidizează bistratulbistratul şi îl face şi îl face maimai

puŃinpuŃin fluidfluid şi şi maimai puŃinpuŃin permeabilpermeabil..


LipideleLipidele -- tipuritipuri principale principale de de mișcărimișcări ::

difuziedifuzie lateralalaterala, , rotatierotatie și flipși flip--flop.flop.

II.2. II.2. ProprietatileProprietatile biofizicebiofiziceale ale proteinelorproteinelor membranaremembranare

TopografiaTopografia moleculelormoleculelor proteiceproteice la la nivelulnivelul bistratuluibistratului lipidiclipidic

Raze X

Cristal

difracto-grama

θθθθθθθθ

a) b) c)

a) Difractograma cu raze X

b) Harta de densitate electronica a proteinei, efectuata pe computer

c) Modelul structurii conformationale a proteinei.

Proteineleintra-

membranaresunt

globulare

Segmentul transmembranar este compus în mare parte dinaminoacizi cu lanŃuri laterale hidrofobe. Cu toate acestea, scheletulpeptidic (legăturile peptidice) este hidrofil. Ca urmare, o structură

helicoidală este cea mai favorabilă energetic.

Tipuri de proteine Tipuri de proteine membranaremembranare

Integrale (2) si periferice (3,4).

Cele integrale: cu un singur domeniu transmembranarsau cu mai multe domenii transmembranare

SegmentulSegmentul transmembranartransmembranar al proteinelor al proteinelor integrale esteintegrale este de de obiceiobicei alfaalfa--helix: 20 helix: 20 aaaa..

PProteineroteinele integrale pot aveale integrale pot avea un un singursingur domeniudomeniutransmembranartransmembranar sau mai multe domenii sau mai multe domenii

transmembranaretransmembranare..

Proteinele sunt asociate cu membrana in diferite moduri

Partea centrală - legăturile peptidice sunt legate prin

punŃi de hidrogen, în timp ce aminoacizii hidrofobi

sunt situaŃi spre exterior, în contact cu lipidele

membranare.

4 tipuri de interactiuni slabe:legaturi de hidrogen, punti disulfidice, legaturi ionice, interactiuni hidrofobe

LegaturileLegaturile peptidicepeptidice suntsunt conectateconectate prinprin puntipunti de de hidrogenhidrogen in in interiorulinteriorulhelixuluihelixului iariar catenelecatenele hidrofobehidrofobe facfac contact cu contact cu lipidelelipidele..

MajoritateaMajoritatea proteinelorproteinelor membranaremembranare au au lanturilanturi lateralelaterale alcatuitealcatuite din din oligozaharideoligozaharide..

AlteAlte proteineproteine au au catenecatene lateralelaterale maimai lungilungi, , polizaharidicepolizaharidice--pproteoglicaniiroteoglicanii. .

GlicoproteineleGlicoproteinele, , proteoglicaniiproteoglicanii sisi glicolipideleglicolipidele se se aflaafla pepe fatafata externaexterna a a celuleicelulei: : glicocalixglicocalix. .

Glicocalixul

MiscariMiscari ale ale proteinelorproteinelor membranaremembranare

Proteinele: difuzie laterala (5) si de rotatie in jurul axei (3)

Rolurile proteinelor membranare

1 Schimbselectiv

2 Receptiasemnalelor

3 Sistem de traducere a semnalului

4 Aderenta lqmatricea

extracelulara

5 Connexiunecu

citoscheletul

6 Suportal activitatiienzimatice

II.3. II.3. FluiditateaFluiditatea ((microvîscozitateamicrovîscozitatea) ) biomembranelorbiomembranelor

FluiditateaFluiditatea ((microvîscozitateamicrovîscozitatea))biomembranelorbiomembranelor

�� DefinitieDefinitie

�� DescriereDescriere

�� ModulatoriModulatori aiai fluiditfluidităățiiții membranaremembranare

�� EvaluareaEvaluarea fluiditfluidităățiiții membranaremembranare

�� ExempleExemple de de aplicațiiaplicații

DefinitieDefinitie

η1

sco

1 ==zitatevi

fluiditate

ηmembrana (0,1 Ns/m2) = 100 x ηapa (10-3 Ns/m2)

0,1 Ns/m2 = 1 poise

–– PrezențaPrezența interacțiunilorinteracțiunilor slabeslabe de tip de tip hidrofilhidrofil--hidrofobhidrofob întreîntre diferițidiferiți constituențiconstituenți permitepermite o o mișcaremișcare permanentpermanentăă a a moleculelormoleculelor. .

–– MembranaMembrana se se vava aflaafla întrîntr--oo stare de stare de echilibruechilibrudinamicdinamic ((cristalcristal lichidlichid), ), caracterizatcaracterizatăă prinprinmicrovâscozitatemicrovâscozitate (η) (η) sausau fluiditatefluiditate (1/η).(1/η).

DescriereDescriere

�� MembraneleMembranele suntsunt mentinutementinuteimpreunaimpreuna prinprin interactiuniinteractiunihidrofobehidrofobe

ORDINEORDINE

�� membranelemembranele suntsunt in in miscaremiscare((rapidarapida pentrupentru lipide si lipide si lentalentapentrupentru proteineproteine) )

FLUIDITATEFLUIDITATE

DescriereDescriere

CRISTAL LICHID:Echilibru dinamic

ModulatoriModulatori aiai fluiditatiifluiditatii membranaremembranare

�� BiofiziciBiofizici: : temperaturatemperatura, , presiunepresiune, pH, , pH, potentialpotentialmembranarmembranar de de repausrepaus

�� BiochimiciBiochimici: : raportraport aciziacizi grasigrasi saturatisaturati/ / nesaturatinesaturati, , tipuritipuri de PL (de PL (raportraportsfingomielinasfingomielina//lecitinalecitina), ), raportraport PL/PL/colesterolcolesterol, , proteineproteine membranaremembranare, , concentratiaconcentratia de de ioniioni ……

EvaluareaEvaluarea fluiditfluidităățiiții membranaremembranare

�� PolarizareaPolarizarea fluorescenteifluorescentei: ‘: ‘sondesonde’ DPH’ DPH

ExempleExemple de de aplicațiiaplicații�� PatologiePatologie: :

–– crescutacrescuta: : alcoolismalcoolism croniccronic, , obezitateobezitate, , maladiemaladiede de iradiereiradiere, , hipertermiehipertermie malignamaligna ……

–– rigiditaterigiditate: : varstavarsta, , hipertensiunehipertensiune geneticagenetica, , aterosclerozaateroscleroza, , maladiemaladie hepatica …hepatica …

�� ModeleModele::–– NaturaleNaturale

�� Membrane Membrane eritrocitareeritrocitare

–– ArtificialeArtificiale�� Membrane Membrane lipidicelipidice bistratificatebistratificate

�� LipoLipozzomiomi

III. III. ModeleModele sisi metodemetodebiofizicebiofizice de de studiustudiu al al biomembranelorbiomembranelor..

In mediu apos fosfolipidele se aseaza in bistrat: lipozomi

Lipozomi

�� MetodeMetode::–– MicroscopieMicroscopie electronicaelectronica

–– DifracDifracŃieŃie cu raze Xcu raze X

–– MicroscopieMicroscopie de forde forŃăŃă atomicatomicăă

–– UitilizareaUitilizarea radioizotopilorradioizotopilor ((evaluareaevaluareareceptorireceptori, , altealte proteineproteine membranaremembranare))

–– SpectroscopieSpectroscopie (RMN, (RMN, fluorescentafluorescenta, Raman), Raman)

–– MetodeMetode de de dinamicdinamicăă molecularmolecularăă((polarizareapolarizarea fluorescenteifluorescentei etc.)etc.)

III. III. ModeleModele sisi metodemetodebiofizicebiofizice de de studiustudiu al al biomembranelorbiomembranelor

IV. IV. ArhitecturaArhitectura supramolecularasupramoleculara a a membranelormembranelor celularecelulare. . ModelulModelulmozaiculuimozaicului fluid.fluid.

1.1. ModeleModele ale ale membraneimembranei celularecelulare anterioareanterioaremodeluluimodelului mozaiculuimozaicului fluidfluid

2.2. DescriereaDescrierea modeluluimodelului mozaiculuimozaicului fluid: fluid: reprezentarereprezentare schematicaschematica sisi argumenteargumenteexperimentaleexperimentale ((imaginileimaginile obtinuteobtinute prinprincriofracturacriofractura in in vidvid sisi pepe hibrizihibrizi celularicelulari)�)�

IV.1. IV.1. ModeleModele ale ale membraneimembranei celularecelulareanterioareanterioare modeluluimodelului mozaiculuimozaicului fluidfluid

�� 1877 1877 –– PfefferPfeffer –– demonstreazdemonstreazăă modificareamodificareavolumuluivolumului celularcelular care care poatepoate fifi explicatexplicatăă doardoarprinprin existențaexistența uneiunei membrane membrane permeabilepermeabileosmotic care osmotic care delimiteazdelimiteazăă celulacelula vegetalvegetalăă;;

�� OvertonOverton mmăăsoarsoarăă rata de rata de traversaretraversare a a membraneimembranei celularecelulare de de ccăătretre diverșidiverși compușicompușichimicichimici și și concluzioneazconcluzioneazăă ccăă membranamembranatrebuietrebuie ssăă fie fie compuscompusăă din din structuristructuri lipidicelipidice;;

�� FrickeFricke –– 19231923--1925 1925 –– mmăăsoarsoarăă grosimeagrosimeamembraneimembranei

�� EvoluțiaEvoluția modelelormodelelor biomembranelorbiomembranelor se se poatepoateîmpărțiîmpărți înîn 3 3 perioadeperioade::–– PerioadaPerioada clasicclasicăă marcatmarcatăă de de experimenteleexperimentele luilui

GorterGorter –– GrendelGrendel –– DavsonDavson –– DanielliDanielli;;

–– PerioadaPerioada unitunităățiiții membranaremembranare –– teorieteorie propuspropusăăde de RobertsonRobertson;;

–– AdoptareaAdoptarea modeluluimodelului mozaiculuimozaicului fluidfluid înîn perioadaperioadaaniloranilor 1960;1960;

ModelulGorter şiGrendel

ModelulDanielliDavson

ModelulRobertson

Modelulcompus

1- Gorter and Grendel

2 - DanielliDavson

3 - Robertson

9 –Compozit

IV.2. IV.2. DescriereaDescriereamodeluluimodelului mozaiculuimozaicului fluid: fluid: reprezentarereprezentareschematicaschematicasisi argumenteargumenteexperimentaleexperimentale((imaginileimaginile obtinuteobtinute prinprincriofracturacriofractura in in vidvid sisi pepe hibrizihibrizi celularicelulari)�)�

�� Singer și NicholsonSinger și Nicholson înîn 19721972 definescdefinesc membranamembranaca ca fiindfiind o ”o ”soluțiesoluție bidimensionalbidimensionalăă de de proteineproteine ... ... înglobateînglobate înîn soluțiasoluția vâscoavâscoassăă a a bistratuluibistratului lipidiclipidic””

�� BistratulBistratul lipidiclipidic are are înîn principal principal rolrol de de barierbarierăă de de permeabilitatepermeabilitate, , înîn care care suntsunt înglobateînglobate proteineproteine cu cu diverse diverse roluriroluri. De . De faptfapt, , bistratulbistratul lipidiclipidic conțineconținedomeniidomenii ordonateordonate, ”, ”cristalinecristaline” și ” și domeniidomenii maimaipuținpuțin ordonateordonate, ”, ”lichidelichide”;”;

�� OrganizareaOrganizarea membraneimembranei nu nu esteeste delocdeloc simetricsimetricăă..

�� Structural:Structural:–– NaturNaturăă amfipaticamfipaticăă, ,

datoratdatoratăă înîn mare mare parte parte lipidelorlipidelor, , dardarși și proteinelorproteinelormembranaremembranare;;

–– MiezulMiezul membraneimembraneiesteeste hidrofobhidrofob, , iariarsuprafațasuprafața esteestehidrofilhidrofilăă

DescriereaDescriereamodeluluimodelului mozaiculuimozaicului fluid: fluid: reprezentarereprezentareschematicaschematicasisi argumenteargumenteexperimentaleexperimentale((imaginileimaginile obtinuteobtinute prinprincriofracturacriofractura in in vidvid sisi pepe hibrizihibrizi celularicelulari)�)�

�� ComponenteleComponentele membraneimembranei nu nu suntsuntstaticestatice, , eleele se se aflaflăă înîn mișcaremișcarecontinucontinuăă care care poatepoate variavaria de la de la vibrațiivibrații pâpânnăă la la mișcărimișcări de flipde flip--flop.flop.

�� MișcărileMișcările lipidelorlipidelor –– mișcareamișcarealaterallateralăă nu nu esteeste îngrădităîngrădită, , însăînsătrecereatrecerea uneiunei molecule molecule lipidicelipidice de de pepeo o jumjumăătatetate a a bistratuluibistratului lipidiclipidic pepecealaltcealaltăă se produce se produce rarrar ((mișcaremișcare de de flipflip--flop).flop).

�� ProteineleProteinele –– pot pot difuzadifuza lateral și se lateral și se pot pot rotiroti, , dardar îșiîși inverseazinverseazăă pozițiapozițiafațăfață de de bistratbistrat doardoar foartefoarte rarrar((energieenergie mare, mare, timptimp maimai lung).lung).

ModelulModelul momozzaiculuiaicului fluidfluid ((1972, S.J. Singer & G. Nicolson)1972, S.J. Singer & G. Nicolson)::proteineleproteinele membranaremembranare ““plutescplutesc in in interiorulinteriorul mediuluimediului

fosfolipidicfosfolipidic ca ca nisteniste icebergiceberg--uriuri intrintr--unun oceanocean””

M. extracelular

Colesterol

Citoplasma

Glicolipide

Proteine transmembranare

CitoscheletProteina periferica

Glicoproteine

Fosfolipide

curs biofizica

Documents