3. Proprietățile celulei

Proprietățile celulei au caractere generale și speciale care le conferă exercitarea unui rol specific în organism (unele dintre ele, deja studiate, ar fi: sinteza proteică, reproducerea celulară și metabolismul celular). Printre proprietățile importante caracteristice celulei se numără:

• Transportul transmembranar;
• Potențialul de membrană.

3.1. Transportul transmembranar

Transportul transmembranar este supus permeabilității selective a membranei celulare pentru majoritatea ionilor și anumite molecule. În acest fel se poate realiza un schimb bidirecțional de substanțe (nutritive, produși ai proceselor de catabolism celular), dar și realizarea unui transfer ionic ce favorizează apariția curenților electrici.

Din punct de vedere al mecanismelor care contribuie la realizarea transportului transmembranar, acestea pot fi împărțite în:

• Mecanisme care implică prezența unor proteine membranare transportoare, denumite cărăuși: transportul activ și difuziunea facilitată. 
• Mecanisme care nu implică prezența acestor proteine: difuziunea și osmoza.
  

Însă, din punct de vedere al consumului energetic (ATP – adenozin trifosfat) pentru facilitarea transportului transmembranar, acesta se poate clasifica în:

• Transport pasiv (fără consum energetic): difuziunea, osmoza, difuziunea facilitată;
• Transport activ (cu consum energetic).

1. Mecanisme de transport membranar care NU implică utilizarea de proteine transportoare:

• Difuziunea
• Osmoza

Difuziunea

Difuziunea este o mișcare care favorizează distribuirea uniformă a moleculelor într-un volum dat de soluție sau gaz. Aceste fenomen are loc ca urmare a energiei moleculare (gaz, ioni în soluție) care imprimă acestora o mișcare dezordonată și permanentă. Astfel, în situația în care între două compartimente ale unei soluții se instalează o diferență de concentrație (gradient de concentrație), mișcarea moleculară intervine să înlăture diferența și totodată să asigure o distribuție moleculară uniformă.

Conform structurii sale, prin membrana celulară pot traversa prin difuziune:

• Molecule liposolubile (nepolarizate): oxigen (O2), hormonii steroizi (cortizol, estrogen, progesteron, testosteron, aldosteron);
• Molecule organice ce conțin legături covalente polare, dar lipsite de încărcătură electrică: dioxid de carbon (CO2), etanol, uree.

Nu pot traversa prin difuziune:

• Molecule organice mari, polarizate, care au nevoie de proteine transportoare: glucoza;
• Ionii liberi (aceștia necesită formațiuni proteice de mici dimensiuni (canale ionice), care nu se pot observa la microscopul electronic).

Deci, membrana celulară NU permite pasajul ionic liber.

Osmoza

Osmoza reprezintă procesul de difuziune al apei (solventului) dintr-o anumită soluție. O condiție pentru realizarea ei constă în caracterul semipermeabil al membranei care separă cele două compartimente. Acesta trebuie să permită trecerea mai ușoară (să fie mai permeabilă) a moleculelor de solvent comparativ cu cele de solvit. Altfel spus, apa trece dintr-o soluție în care concentrația de apă va fi mai mare (soluția este mai diluată) spre soluția cu concentrație de apă mai mică (soluție mai concentrată).

Osmoza poate fi prevenită prin aplicarea unei forțe, denumită presiune osmotică. Acesta prezintă o directă proporționalitate cu numărul de particule dizolvate în soluție.

Solut – substanța de dizolvat

Solvent – substanța în care se dizolvă (mediu de dizolvare)

2. Mecanisme de transport membranar care implică utilizarea de proteine transportoare (cărăuși)

• Difuziunea facilitată
• Transportul activ

Pentru traversarea membranei celulare a moleculelor organice cu greutate mare, polarizate, sunt necesare proteinele membranare transportoare. Este un tip de transport specific, saturabil, adică se poate realiza un transport pentru maximum o substanță și competitiv pentru anumite moleculare care concurează pentru aceeași proteină cărăuș.

Difuziunea facilitată

Difuziunea facilitată permite deplasarea moleculelor fără consum energetic în sensul gradientului de concentrație (de la concentrație mare la concentrație mică) de-a lungul membranei celulare, cu ajutorul proteinelor de transport.      

Transportul activ

Transportul activ este consumator de energie dată de ATP și contribuie la deplasarea moleculelor și a ionilor împotriva gradientului lor de concentrație (de la concentrație mică la concentrație mare).

De exemplu, ionii de calciu sunt expulzați în exteriorul celulei cu ajutorul unei proteine transportoare transmembranară, consumatoare de ATP cu scindarea lui în ADP și Pi (ATP-aza de calciu). Înainte de a fi eliberați la exterior, ionii se fixează la locul de conexiune situat la jumătatea proteinei.

Transportul activ se împarte în două categorii: 

• Transport activ primar: Proteina transportoare implicată în transportul activ consumă energia rezultată prin hidroliza directă a ATP-ului. Acest tip de proteine transportoare poartă numele de pompe.
• Transport activ secundar (cotransport): activitatea proteinei transportoare este susținută energetic prin transferul altei energii potrivit gradientului ei de concentrație care va contribui la transferul unei molecule sau unui ion împotriva gradientului său de concentrație. Un exemplu ar fi pompa de Na+/K+.

Figura 3.4 Transport activ primar și secundar. 

Transportul vezicular reprezintă o categorie specială de transport membranar și se împarte în:

• Endocitoză – procesul prin care materialul din exteriorul membranei celulare este înglobat în interiorul veziculelor rezultate prin invaginarea plasmalemei și transferat intracelular. Fagocitoza și pinocitoza reprezintă forme particulare de endocitoză. 
• Exocitoză – procesul prin care conținut din interiorul celulei este captat în vezicule care au proprietatea de a fuziona cu plasmalema, este eliberat în exteriorul celulei. 

3.2. Potențialul de membrană

Potențialul de membrană se definește ca diferența de potențial electric apărută între fața internă și cea externă a membranei celulare. Acesta apare ca urmare a permeabilității membranare selective, precum și a prezenței în interior a moleculelor nedifuzibile și încărcate negativ, completate de activitatea pompei Na+/K+.

Potențialul membranar de repaus depinde de permeabilitatea membranară și se asociază unui potențialul de membrană la un moment în care impulsurile electrice sunt absente (celulă nestimulată). Valoarea medie a acestuia variază între -65 mV și până la o valoare apropiată de cea atribuită potențialului de echilibru pentru K+ (-85 mV). Valoarea acestuia este un rezultat al activității pompei Na+/K+. Aceasta funcționează prin reintroducerea în celulă de K+ difuzat în exterior, la schimb cu expulzia Na+ introdus în celulă, în raport 2K+ : 3Na+. Astfel, concentrația intracelulară a celor 2 ioni se menține relativ constantă și totodată potențialul de membrană este constant atunci când stimulul este absent. În stare de repaus, distribuția sarcinilor este negativă la interiorul celulei și pozitivă la exterior.

Potențialul de acțiune (PA) reprezintă modificarea temporară a potențialului de membrană. Sub influența stimulului electric, celulele generează potențiale de acțiune prin modificarea potențialului de membrană. Principul de bază privind producerea potențialul de acțiune este simular în toate celulele: potențialul de membrană se modifică datorită unor curenți electrici apăruți ca urmare a traversării ionilor prin canalele membranare specifice, care se închid sau se deschid dependent de valoarea potențialului membranar. Potențialele de acțiune generate depind de tipul de celulă în ceea ce privesc mecanismele de producere, durata și aspectul.

Figura 3.5 Potențialul de acțiune neuronal.

Potențialul de repaus al neuronului are o valoare de -80 mV. Durata potențialului de acțiune al neuronului este de 5 ms, având o amplitudine pozitivă (de +40 mV). Astfel, diferența dintre potențialul de repaus și amplitudinea potențialului de acțiune are o valoare de 120 mV. 

Figura 3.6 Potențialul de acțiune în celula miocardică ventriculară.

În celula miocardică ventriculară, potențialul de repaus are aceeași valoare (-80 mV), însă durata potențialului de acțiune este mai mare sau egală cu 200 ms. Din punct de vedere al amplitudinii PA, aceasta este ușor pozitivă (puțin peste valoarea de 0 mV). 

Figura 3.7 Potențialul de acțiune în fibra musculară netedă de la nivelul antrului piloric (gastric). 

Durata potențialului de acțiune în fibra musculară netedă de la nivelul antrului piloric este egală cu cea a PA al neuronului, respectiv de 5 ms. Însă, în acest caz, amplitudinea PA este inferioară valorii de 0 mV, deci are un caracter negativ.

Pentru menționarea fazelor potențialului de acțiune se va exemplifica neuronul.

• Pragul - Potențialul prag – se definește prin valoarea potențialului de membrană care odată ce atinge un nivel critic, produce depolarizarea rapidă (spontană) a celulelor excitabile.

Potențialul de acțiune reprezintă un răspuns de tip „totul sau nimic”. Altfel spus, aplicarea unor stimuli de intensitatea inferioară potențialului prag (subliminari) nu favorizează depolarizarea și implicit nici declanșarea impulsului, precum și aplicarea unor stimuli de intensitate superioară pragului (supraliminari) nu provoacă un răspuns mai amplu decât stimulul prag.

• Panta ascendentă – marchează declanșarea depolarizării ca urmare a atingerii potențialului prag și creșterii permeabilității membranare pentru Na+ (faza de depolarizare rapidă). Poarta de intrare în celulă o reprezintă canale speciale pentru acest ion, voltaj-dependente, care sunt deschise doar la atingerea valorii potențialului prag, Na+ va difuza în celulă, ceea ce va determina creșterea depolarizării. În această perioadă, potențialul de membrană variază de la -65mV la +40mV.

• Panta descendentă – descrie revenirea potențialului către valoarea sa de repaus (faza de repolarizare). Acest proces este justificat de faptul că sub influența stimulului depolarizant, canale speciale voltaj-dependente pentru K+ se deschid și favorizează expulzia acestuia din celulă și în acest fel depolarizarea scade. În această perioadă, potențialul de membrană revine -65mV.

Perioada refractară (PR) este acel interval de timp pe parcursul căruia celula răspunde cu greutate printr-un PA la noii stimuli aplicați. Aceasta este de două tipuri:

• Perioadă refractară absolută (PRA) – intervalul de timp în care nu poate fi generat niciun alt PA, chiar dacă se aplică stimuli foarte puternici, deoarece canalele de Na+ nu mai pot fi activate. Această perioadă include panta ascendentă și o porțiune de început din cea descendentă.
• Perioadă refractară relativă (PRR) – intervalul de timp pe parcursul căruia poate fi generat un nou PA (un al doilea PA), însă sub acțiunea unor stimuli suficient de puternici. Răspunsul obținut în forma unui nou PA înregistrează o viteză de apariție mai mică a pantei ascendente precum și o amplitudine mai redusă decât în mod normal.

Generarea PA în orice punct al unei membrane excitabile va stimula ulterior și zonele adiacente ale acesteia, favorizând propagarea bisens până la o depolarizare completă a membranei. Procesul de transmitere a depolarizării de-a lungul unei fibre musculare sau nervoase se numește impuls (muscular sau nervos).

Proprietățile speciale ale celulelor sunt:

• Contractilitatea – proprietatea celulelor musculare de a transforma energia chimică a unor compuși în energie mecanică.
• Activitatea secretorie – pentru refacerea structurilor proprii, creștere și înmulțire, fiecare celulă produce substanțe proprii de natură proteică și lipidică. Unele celule sunt specializate în producere și „export” de substanțe în mediul intern celular (secreție endocrină) sau în exterior (secreție exocrină).

3.3. Lucrare practică – Observarea epiteliului de acoperire

Materiale necesare: periuță pentru dinți, ser fiziologic, eprubete, pipetă, soluție de albastru de metilen 1‰, centrifugă, microscop, lame, lamele, ac spatulat, celule descuamate de pe mucoasa bucală.

Se clătește gura cu apă iar apoi se efectuează un periaj cu o periuță umezită în ser fiziologic. Se clătește periuța într-o eprubetă cu ser fiziologic și se adaugă o picătură din soluția 1‰ de albastru de metilen. Se centrifughează sau se decantează timp de 30 de minute, se ia din depozitul de pe fundul eprubetei și cu un ac spatulat se face un preparat microscopic între lamă și lamelă. Recoltarea celulelor se poate face și prin răzuirea ușoară a feței superioare a limbii cu partea neascuțită a unei lame de briceag și metilarea răzuirii.