Rolul pompelor si proteinelor transportoare in - Universitatea ...

“CONSTANTIN BRÂNCUSI” UNIVERSITY – ENGINEERING FACULTY
UNIVERSITY’S DAY
8 th INTERNATIONAL CONFERENCE
Târgu Jiu, May 24-26, 2002
Târgu Jiu, Geneva Street, nr.3, 1400, Gorj, România,Tel.+4053215848, Fax+4053214462, www.utgjiu.ro
ROLUL POMPELOR SI PROTEINELOR TRANSPORTOARE ÎN
CHIMIA BIOANORGANICĂ
Matei Aronel, lector dr. chim., Traistă Eugen, conf. dr. ing., Dumitrescu
Ioan, şef lucrări, dr. ing., Ionică Mădălina, preparator ing., Universitatea
Petroşani
Abstract: The presence of one chemical element in a host environment indicates the fact that that element has a
role in biological systems. The main constituent is water that has the role of solvent. Mineral substances are
dissolved in the plasma in an ionic form and they realize equilibrium between anions and cations. Electrical
gradient and concentration gradient are provided by the ionic pomp that realizes the active transportation. This
active transport means, in fact, the ions transportation through cell membrane, against their natural trend to
difusse through zones with lower concentration. These ionic channels are made by large helicoidale
macromolecules. The channels that provide sodium transportation are hidratated and accept ions by coordination
with water molecules, inside the channel. Water molecules may transport easily and quickly protons by Grotthus
mechanism. Potassium channels contains ligand layers, that make these channels to look like corona ether.
1. Introducere
Scoarţa terestră conţine cantităţi mari de Al si Si, elemente care nu sunt semnificative
în organismul uman si animal. Alte elemente care în urme la nivel terestru joacă un rol central
în lupta organismului pentru menţinerea echilibrului. Astfel Cu si Se sunt două exemple în
acest sens.
Elementele se pot găsi în:
- lichidele extracelulare si pe fata externa a membranelor celulare;
- pereţii celulari, membranele care definesc limitele celulei, controlând pătrunderea şi
ieşirea materialului celular.
Interiorul celulei, începâind cu faţa internă a membranei celulare, în materialul celular
aflat în faza apoasă (lichid citoplasmatic).
Organitele din interiorul celular, incluzând nucleul şi mitocondriile (structuri celulare
cunoscute ca sură de energie pentru aceasta).
Prezenţa elementului într-un anume mediu gazdă reprezintă primul indiciu referitor la
rolul jucat de element în sistemele biologice.
Tabelul nr. 1. Distribuţia elementelor în celula biologică
Lichid extracelular Organite Citoplasma
Na
,
+ 2
Ca +
K
,
+ 2
Mg +
2
Cu + ( Mo)
Fe, Co
Co
Zn, Ni, Mn Zn
Cl, Si P (S) P (S)
Al Se Se
K
,
+ 2
Mg +
Din tabelul nr. 1 se poate reţine faptul că, în general, celulele încorporează ionii de
potasiu, magneziu şi fier, în timp ce ionii de sodiu şi calciu se află în principal în mediul
extracelular.

2. Constituenţi anorganici ai plasmei
Principalul constituent mineral al plasmei este apa. Ea îndeplineşte funcţia de solvent
pentru toate celelalte componente, atât organice cât şi cele minerale.
Gazele din sânge
Gazele din sânge, oxigenul şi bioxidul de carbon, sunt parţial dizolvate în plasmă în
conformitate cu legea lui Henry, adică proporţional cu presiunea parţială a fiecăruia la o
temperatură constantă. În cea mai mare parte ele sunt legate chimic de proteine transportoare
hemoglobina. Valoarea coeficientului de solubilitate al oxigenului în plasmă la 38ºC este de
0,023 cm³/ml, când presiunea parţială a oxigenului este de 760 mmHg. Solubilitatea CO 2 în
plasmă la 38ºC este de circa 20 de ori mai mare decât cea a oxigenului.
Electroliţi
Substanţele minerale dizolvate în plasmă sunt în stare ionică cu realizarea unui
echilibru între anioni şi cationi. Repartiţia componentelor minerale între plasmă şi eritrocite
este diferită. Dacă se iau în consideraţie doi dinte anionii principali ai acestor compartimente
respectiv Cl¯ si HCO3¯ se poate face urmatoarea observaţie cu importanţă fiziologică. Astfel,
pentru compensarea creşterii de ioni bicarbonici ce se produc în eritrocit, o parte din aceşti
+
anioni sunt transferaţi în plasmă. Aceştia se combină cu ionii Na proveniţi din NaCl
plasmatic, iar ionii Cl eliberaţi pătrund în eritrocit. Deci majoritatea ionilor HCO3¯ formaţi
sunt repartizaţi în plasmă. Această distribuţie este în parte şi un efect al echilibrului
eritroplasmatic (echilibru Donnan).
În eritrocit componenta anionică este bine reprezentată prin hemoglobină (30 mEq),
acid difosfogliceric (35 mEq) şi ATP (2 mEq) care lipsesc în plasmă, unde proteinele
plasmatice (15 mEq) reprezintă o mică parte a componentei anionice. Ca urmare, în plasmă se
gaseşte obligatoriu o cantitate mai mare de anioni uşor difuzabili decât în eritrocit, în primul
rând ionul HCO3¯.
Cationii
Sodiul Na + reprezintă 58 – 60 mEq/kg corp, totalizând 4000 – 4200 mEq la un adult
de 70 kg. El este cationul umorilor atingând în pasmă concentraţia medie de circa 142 mEq/l
sau 152mEq/l de apă plasmatică. Sodiul plasmatic reprezintă 15% din sodiul usor difuzabil al
organismului.
Concentraţia Na + fiind mai mare decât a celorlalţi cationi, el este principalul factor al
reglării presiunii osmotice şi al echilibrului acido-bazic. Între concentraţia ionului de Na +
(extracelular) si aceea a ionului K + (intracelular) există un echilibru ce se realizează printr-un
mecanism de transport activ la nivelul membranelor celulare, aşa numita “ pompă de
electroliţi “.
Potasiu (K + ) este cationul spaţiilor intracelulare reprezentând 98% din K total al
organismului (150 g corespunzător la 3500 mEq la adultul normal de 70 kg).
În plasmă cantitatea de K este de 125 – 135 g, concentraţia sa fiind de numai 4,7
mEq/l plasmă. Valorile extreme fiind 3,8 – 5,4 mEq/l, mai bine de 90% din potasiul total al
organismului este uşor difuzabil.
Calciul . Continutul plasmatic în calciu este de 4,5 – 5,5 mEq sau 2,3 – 2,75 milimoli
(90 – 110 mg/l). Conţinul total de calciu al unui adult de 70 kg este de 1100 – 1500 g.
Concentraţia plasmatică a calciului este remarcabil de fixă. Cationul este reprezentat
în trei fracţiuni:
• fracţiunea ultrafiltrabilă ionizată reprezentând 60% din total, fiind forma activă
implicată în osificare, coagulare, excitabilitate neuromusculară;
• fracţiunea ultrafiltrabilă neionizată reprezentând 4% din total în care ionul este fixat
în combinaţii saline sau complexe nedisociabile;

• fracţie neutră filtrabilă 36% din calciul total sub formă de proteinat de calciu, în
special, în albumina serică.
Magneziul ajunge în plasmă la o concentraţie de 1,5 – 1,83 mEq/l sau 0,7 – 1,2
milimoli/l. Conţinutul total al organismului uman adult este de 823 – 1235 milimoli Mg.
Magneziul plasmatic este de 70% ultrafiltrabil, restul fiind legat de albumine α1 si α2 –
globuline.
Anionii
Clorul este cel mai important anion al compartimentului intracelular, concentraţia sa
plasmatică normală fiind în medie 104 mEq/l. Între clorul globular şi cel plasmatic există un
raport constant = 0,52. Concentraţia clorului urmează pasiv modificările de concentraţie ale
ionului de Na + .
Fosforul. Fosforul din plasmă este alcătuit din componente minerale şi organice.
Componentele minerale sunt reprezentate de ortofosfaţii mono si dimetilici. La pH= 7,4 –
2−
−
80% din fosfaţii anorganici se găsesc ca HPO
4
, iar restul ca H
2
PO 4
. Pe lângă fosfaţii
ionizaţi se găseste şi o cantiate mică de fosfat tricalcic nedisociabil. Concentraţia fosforului
plasmatic este de 2 mEq corespunzător la 0,8 – 1,48 milimoli sau 25 – 40 mgP/l la copilul
sugar şi adolescent, valorile sunt mai ridicate (40 –65 mgP/l sau 1,3 – 2,1 milimoli, respectiv
40 –52 mgP/l sau 1,3 – 1,7 mmoli). Important pentru mecanismele de reglare ale echilibrului
fosfo-calcic este faptul că o creştere a fosfatemiei are drept consecinţă imediată o scădere a
calcemiei.
Sulful se găseşte în plasmă sub mai multe forme, care însumate alcătuiesc sulful total,
corepunzător unei concentraţii de 1,40 g/l. Partea majoră a acestuia este reprezentată de acizii
aminaţi tiolofariu, din proteinele sanguine. Sulful neproteic care are concentraţia cuprinsă
între 0,07 - 0,10 g/l din plasmă ( sau sange total ) cuprinde doua fractiuni : sulf neutru (acizi
aminati sulfurati si derivati cu grupare tiol) si sulf oxidat (sulfatul, esterii sulfurici). Nivelul
sulfului din sulfati este cuprins intre 0,01 – 0,03 g/l.
Oligoelemente
Fierul. Sideremia normală are valoarea medie de 120 µg cu valori extreme 70 – 170
µg%. Nivelul de concentraţie are variaţiile sale circadiene prin scăderi vesperale cu circa
30µg%. Sideremia acoperă o treime din capacitatea de legare în transferină reprezentând
numai o mică parte din fierul total al organismului (3 – 5 g).
Cuprul aflat în ser reprezintă o mică parte din totalul de 100 – 150 mg de care dispune
organismul. Concentraţia sa este de 11,66 – 23,61 milimoli/l, adică 850 – 1500 µg/l la bărbaţi,
iar la femei 700 -1400µg/l. Principalul deţinător de cupru plasmatic este ceruloplasmina.
Cuprul plasmatic este în echilibru cu cel inclus în enzime (peroxidoza, tirozinaza, δ - aminolevulinic-
dehidrogenoza).
Zincul din ser se află în concentraţie de 122 – 214 µmol/l (0,80 – 1,40 mg/l),
reprezentând o mică parte din conţinutul total de 2 – 3 g al organismului. Concentraţia serică a
zincului este de 10 ori mai mică decât cea eritrocitară care, la rândul ei este depaşită cu mult
de cea leucocitară. Zincul plasmatic este structural legat de α2 – macroglobuline ca şi de
unele enzime plasmatice (fosfatoza alcalină, uricaza carbonicanhidroză, etc.).
Nichelul se gaseşte în plasmă în cantitate de 0,002 – 0,0238 µmoli (1,2 – 4,6 µg/l),
legat de albumine si α2 – macroglobuline.
Cobaltul. În ser este vehiculată o cantitate de 0,02 – 0,61 µmoli (1,2 – 3,6 µg/l).
Elementul este legat ca ion în vitamina B12, funcţionând ca efector al multor enzime
(acţionator sau inhibitor) în funcţie de concentraţie.

Pompe si proteine transportoare
Polimerul fosfat ATP (adenazin trifosfat) stochează energia necesară celulelor, această
energie poate fi eliberată prin hidroliza legăturii polifosfatice.
P – O – P –
+2
Observaţie: în celula, molecula ATP este prezentă sub forma unui complex al Mg ,
ligandul polifosfat.
Mijloacele prin care este sintetizat ATP au o importanţă deosebită pentru înţelegerea
biochimiei globale a unui organism.
Factorii principali care favorizează condensarea a două grupări – P– OH (cu pierdere
de H 2 O) şi formare de - P – O – P - sunt valoarea pH-ului şi sarcina electrică.
pH – ul şi gradientul electric necesare sunt create printr-o membrană celulară în urma
unor reacţii care pun în evidenţă propietăţile de acceptor de electroni ale moleculei O 2 . Cu alte
cuvinte, în cele din urmă O 2 contribuie la formarea purtătorului de energie al celulei.
Pompe ionice. Pompă sodiu/potasiu
Gradientul electric şi de concentraţie este asigurat de pompa ionică, care realizează
transportul activ, adică transportul ionilor prin membrană impotriva tendinţei lor naturale de a
difuza către zone cu concentraţie mai scăzută.
Distribuţia sarcinii electrice de o parte si de alta a membranei prin transport activ
conduce la apariţia unei diferenţe de potenţial electric, ca şi a unei diferenţe de compoziţie
chimică a lichidelor din interiorul şi din exteriorul celulei.
+
După cum se ştie majoritatea celulelor animale au o concentraţie în ioni de K mai
mare în interiorul celulei decât în exteriorul acesteia şi o concentraţie mai mare de ioni de
+
Na în exteriorul celulei faţă de interiorul acesteia. Sursa de energie pentru menţinerea
acestui dezechilibru este ATP. Astfel, o cantitate mare de ATP este consumată pentru
menţinerea gradientului de concentraţie.
În 1957 Jens Skon a descoperit o enzima cu masă molară de circa 110kgmol¨¹ care
+2
hidrolizează ATP-ul numai dacă alături de ionul Mg , necesar tuturor ATP-ozelor
+ +
(enzimele care catalizează hidroliza ATP) sunt prezenţi şi ioni de Na şi K . Această
descoperire explica modul cum funcţionează o pompă ionică.
O altă explicaţie provine din observaţia că activitatea acestei enzime se corelează
cantitativ cu măsura în care are loc transportul ionic.
Această ATP-oză este fosforilată (se formează o legatură enzimă – fosfat) la o grupare
aspartat numai în prezenţa ionilor de Na + şi Mg 2+ . Mai mult, produsul fosforilat poate fi
hidrolizat numai în prezenţa ionilor de K + .
O
C
C
H
CH2
C
O
P
O¯
O¯
- NH
O
O
În figura nr. 1 este redat mecanismul pompei de sodiu.
La început, o moleculă de ATP împreunî cu trei ioni de Na + se leagă de partea internă
a membranei celulare iar enzima este fosforilată. Produsul de reacţie (enzima fosforilată)

suferă o modificare comformaţională numită eversiune, timp in care ionii de Na + legaţi sunt
aduşi din interiorul în exteriorul celulei, ca într-o mişcare de placă turnantă. In exterior, cei
trei ioni de Na + sunt înlocuiţi cu doi ioni de K + . Legarea ionilor de K + induce defosforilarea,
în hidroliza ATP la ADP crează o modificare comformaţională care aduce cei doi ioni de K +
din exterior in interiorul celulei, unde aceştia vor fi eliberaţi.
Figura nr. 1. Schema mecanismului pompei de sodiu .(partea haşurată indică lichidul
extracelular).
Acest proces determină apariţia unui gradient electric de o parte şi de alta a
membranei deoarece trei ioni de Na + sunt expulzaţi în timp ce numai doi ioni de K + sunt
încorporaţi, suprafaţa externă a membranei devenind încarcată pozitiv în comparaţie cu cea
internă.
O observaţie care vine în sprijinul acestui mecanism este următoarea: în prezenţa unor
concentraţii foarte mici (10 -9M −3
) de ioni vanadat ( VO
4
) acţiunea ATP-ozei este inhibată.
Spre deosebire de ionii vanadat fosfatul pentacoordinat format intermediar in reactie
este instabil si se descompune rapid sub actiunea apei, in timp ce speciile pentaoordinate ale
+
vanadiului sunt stabile si modificarea comformationala nu are loc, iar ionii de K legati
ramin in exteriorul membranei celulare.
Din punct de vedere anorganic interesează selectivitatea complexării faţă de ionii de
K + si respectiv Na + . Interesează de ce o enzima poate fi selectivă mai întâi faţă de Na + şi apoi
faţă de K + . Se ştie că ionii alcalini au o tendinţă scăzută de complexare.
Canalele ionice care permit trecerea ionilor prin membrane sunt de obicei construite
din proteine polimerice cu conformaţie helicoidală. Aceste helixuri formează pereţii canalelor
ionice, iar conformaţia lor produce aranjamente geometrice specifice pentru un număr de
potenţiale substraturi în care se leagă ionii metalici.
Diferenţele dintre canalele ionice selective faţă de Na + , respectiv fata de K + , sunt
remarcabile şi pot fi explicate presupunând că, pentru ionul Na + , canalele sunt mai mari şi
sunt hidratate. Ionul de Na + , mai puternic hidratat, se deplasează prin canal spre locul de
legare, schimbând propriile molecule de apă coordinate cu moleculele de apă din interiorul
canalului. Ionul de K + , de dimensiuni mai mari şi mai puţin hidratat, trece printr-un canal
deshidratat, complexând cu anioni din catenele laterale ale proteinelor ce formează pereţii
canalului.

Factorii sterici au un rol important în transportul selectiv al ionilor, fapt susţinut de
unii din cei mai simpli liganzi biochimici, eterii coroana (figura nr. 2). Astfel, ligandul de
chelare leagă atât ionii de Na + cât şi cei de K + , dar ultimii sunt de aproximativ 100 de ori mai
puternic legaţi. Selectivitatea este de natură stereochimică. Cu alte cuvinte ionul K + se
potriveşte exact în cavitatea concavă a coroanei eterului.
Figura nr. 2. Eter coroana
CONCLUZII
Prezenţa elementului într-un anume mediu gazdă reprezintă un prim indiciu la rolul
jucat de element în sistemele biologice.
Principalul constituient mineral al plasmei este apa. Ea indeplineşte funcţia de solvent
pentru toate celelalte componente, atât organice cât şi cele minerale.
Substanţele minerale dizolvate în plasmă sunt în stare ionică cu realizarea unui
echilibru între anioni si cationi.
Polimerul fosfat ATP stochează energia necesară celulelor; această energie poate fi
eliberată prin hidroliza legăturii polifosfatice ( - P – O – P - ).
Gradientul electric şi de concentraţie este asigurat de pompa ionică care realizează
transportul activ.
Transportul activ este de fapt transportul ionilor prin membrană impotriva tendinţei lor
naturale de a difuza către zona cu concentraţie mai scazută.
Canalele ionice care permit trecerea ionilor prin membrane sunt de obicei construite
din proteine polimerice cu conformaţie helicoidală.
Canalele care servesc la transpotul Na + sunt hidratate şi acceptă ioni prin coordinarea
acestora cu moleculele de apă din interiorul canalului. Aceste molecule de apă pot transporta
rapid şi cu uşurinţă protonii prin mecanismul Grotthus.
Canalele pentru ionii de K + conţin situsuri (substraturi) ligand (anioni din catenele
laterale ale proteinei); din acest punct de vedere canalul pentru K + se aseamană cu un eter
coroană.
BIBLOGRAFIE
1. Popescu A., Cristea E., Zamfirescu – Gheorghiu M., Biochimie Medicală, Editura
medicală, Bucureşti 1980.
2. Shriver D.F., Alkins P.W., Laniford C. H., Chimie Anorganică, Traducere din limba
engleză, Editura Tehnică, Bucureşti 1988
3. Stryer L., Biochemistry, W.H. Freeman and Co. New York 1988
4. Mann S., Biomineralization: the hard part of bioinorganic chemistry, J. Chem. Soc.,
Dalton Trans.,1 - 1993