Celula reprezintă unitatea de bază morfologică, funcțională și structurală a tuturor organismelor vii. Întreg corpul uman este alcătuit din celule, la fel cum orice lucru înconjurător este la rândul său alcătuit tot din celule, dar diferite în funcție de natura sa, de zonă, de rol.
Celula poate conviețui singură sau împreună cu mai multe celule. Mai multe celule adunate formează un țesut.
Putem aduce în discuție conceptul de teorie celulară. Această teorie celulară stă la baza biologiei, deci, biologia celulară este cea care stă la baza biologiei corpului uman.
Unul dintre mecanismele cele mai importante pe care îl pot realiza toate celulele este cel de reproducere, indiferent de modalitate. Prin mecanismul de reproducere, se formează noi celule de același tip.
Celula ne va ajuta să împărțim organismele vii în două grupe majore:
- celulele procariote
- celulele eucariote
Celula procariotă:
- este lipsită ce nucleu, deci este anucleată
- nu se divide prin mitoză
- în structura internă a celulelor procariote nu întâlnim organite celulare
- include bacteriile
Celula eucariotă:
- este fix opusul celei procariote
- prezintă nucleu, deci se va putea divide prin procesul numit mitoză
- include plantele, animalele, oamenii
- conține organite specifice și comune
Structura celulei
Celula va fi structurată în 3 componente majore:
- citoplasmă
- membrana celulară sau membrana plasmatică
- nucleu
Cele mai importante componente dintre acestea 3 sunt citoplasma și membana celulară.
Citoplasma
- este cea care formează mediul intern al celulei
- prezintă o componentă gelatinoasă, ca albușul unui ou, sau consistența unui gel
- conține nucleul
Celula are o relație strâns legată cu această componentă, deoarece la nivelul ei se realizează principalele funcții vitale.
Membrana plasmatică
Membrana plasmatică:
- se mai numește membrană celulară
- este elementul ce înconjoară celula
- ea delimitează o celulă de o altă celulă
- are rolul de a separa două structuri – mediul intern (intracelular), de mediul extern (extracelular)
Alcătuire
Membrana celulară este alcătuită în principal din:
- proteine
- lipide
- fosfolipide
Datorită acestor componente, membrana plasmatică va avea un aspect neordonat. Acest lucru îi va da numele de mozaic fluid, deoarece așezarea proteinelor, fosfolipidelor și a lipidelor va fi una aleatorie.
Proteinele:
- sunt un grup de molecule complexe, formate din mai mulți aminoacizi
- sunt înglobate și diseminate în lipide
- rolul lor este de a îndeplini diferite funcții de bază în organism, pentru a putea funcționa corect; de exemplu, ele intră în alcătuirea firelor de păr, a unghiilor, a țesuturilor
Proteinele globulare dispuse la exteriorul stratului lipidic, dau impresia că plutesc printre lipide, și vor purta denumirea de „proteine transmembranare”. Proteinele transmembranare pot ocupa toată grosimea stratului lipidic. Unele pot să o și depășească, de aceea proemină la exterior. Datorită dimensiunilor mari și pentru că sunt prezente și la exteriorul membranei, vor servi ca și canale pentru transportul transmembranar.
Există și proteine periferice. Ele se așezază pe suprafața membranară. Unele, se pot transforma în enzime cu rol specific. Alte proteine periferice pot să contribuie în remodelarea celulară:
- în timpul diviziunii
- în timpul contracțiilor celulare
Derivatele proteinelor, aflate preponderent în exteriorul celulelor, sunt:
- glicoproteinele – proteine asociate cu glucie
- glicolipidele – proteine asociate cu lipide
Acestea sunt formate din molecule complexe. Glicoproteinele și glicolipidele au proprietatea de a se recunoaște reciproc. Acestea au rol important în structura membranei celulare, și anume de a fi receptori pentru moleculele semnalizatoare, cum ar fi hormonii.
Glucidele:
- sunt reprezentate de substanțe naturale, care se găsesc în mod normal în organismul uman
- ele sunt esența materiei vii
- rolul principal este în metabolism
Lipidele:
- sunt substanțe de tip „gras”
- ele intră în alcătuirea membranei celulare
- printre moleculele de lipide găsim proteine
- colesterolul este un derivat al lipidelor; el are rolul de a reduce fluiditatea membranei celulare
Fosfolipidele:
- sunt structuri ce aparțin grupului de lipide
- se prezintă ca un strat dublu la interior, cât și la exterior
- prezintă un capăt polarizat, care conține fosfor, iar acesta este atras de apă și va putea fi numit „hidrofil”
- prezintă un capăt nepolarizat, care este alcătuit din lanțuri de acizi grași, și se va numi capăt „hidrofob”
- deoarece polului hidrofil ii place apa, polul hidrofob va găsi alte structuri de care să fie atras, precum substanțele nepolarizate; polul hidrofob „se teme” de apă
Glipolipidele:
- sunt combinația dintre glucide și lipide
- se vor prezenta ca o moleculă de lipid ce are atașat pe stratul extern un glucid
Modelul mozaicului fluid:
- proprietățile fosfolipidelor dau membranei plasmatice aspectul de „sandwich”
- capete hidrofile iau contact cu apa din mediul extracelular și intracelular
- capetele hidrofobe sunt pe fața internă a membranei
- datorită acestor proprietăți, membrana plasmatică își poate mări volumul atunci când se unește cu veziculele aparatului Golgi
Mișcările moleculare
Mișcările moleculare se pot realiza datorită membranei plasmatice. Membrana plasmatică prezintă următoarele proprietăți:
- este semipermeabilă
- permite trecerea moleculelor mici (O2, CO2, apa) sau ioni
- nu permite trecerea cu ușurință a unor molecule de dimensiuni mai mari
- permite un schimb bidirecțional de substanțe, din interior spre exterior, sau chiar invers
- accesul în celulă este permis pentru lipide, deoarece acestea alunecă printre fosfolipide, datorită consistenței „grăsoase”
Pentru ca citoplasma din celulă să comunice cu mediul extern, este nevoie ca substanțele să treacă prin membrana plasmatică.
Cele șase mecanisme ale mișcării moleculare prin membrana celulară
Difuziunea:
- moleculele aflate într-o zonă cu o concentrație mare merg spre zona ce prezintă molecule într-o concentrație mică
- fenomenul pe care se bazează difuziunea se numește diferență de gradient de concentrație
Mai exact, moleculele se află într-o continuă mișcare, iar ele tind să se deplaseze din zonele unde concentrația este mult mai mare, în zonele unde concentrația este mult mai mică. Această mișcare se realizează sub forma unei forțe numite gradient de concentrație. Un exemplu în care are loc difuziunea este plămânul. La nivelul alveolelor pulmonare, moleculele de O2 trec din alveole în globulele roșii.
Osmoza
Osmoza reprezintă un tip de difuziune, realizat prin difuziunea moleculelor de apă dintr-o regiune cu o concentrație mică a substanței dizolvate, printr-o membrană semipermeabilă, într-o regiune cu o concentrație mare a unei substanțe dizolvate. Substanța dizolvată se numește solvit, iar lichidul în care se dizolvă se numește solvent.
Membrana semipermeabilă este cea care facilitează acest proces. Ea permite trecerea moleculelor dintr-un solvit într-un solvent. Modificările de concentrații dintre două soluții pot fi definite cu termenii:
O soluție izotonă:
- este o soluție ce prezintă atât în mediul intracelular cât și în mediul extracelular o cantitate egală de molecule; așadar, este un echilibru între acestea
- soluția izotonă este soluția ideală pe care trebuie să o dețină fiecare fluid corporal
- osmoza nu se produce, deoarece concentrațiile de ambele părți ale membranei sunt la fel
O soluție hipotonă:
- se definește ca o soluție în care concentrația moleculelor este mai mare în interiorul celulei
- deplasarea moleculelor de apă se face din zona unei concentrații mici spre zona cu o concentrație mare
- osmoza duce la umflarea celulelor sau lizarea acestora
O soluție hipertonă:
- este o soluție în care concentrația este mai mare la exteriorul celulei
- osmoza acționează prin deplasarea moleculelor din zona cu o concentrație mică în zona cu o concentrație mare, adică din celulă în exteriorul acesteia
Difuziunea facilitată
Difuziunea facilitată reprezintă o altă mișcare moleculară.
Mod de desfășurare:
- similar cu difuziunea simplă
- este acompaniată de proteinele transportoare de pe membrana celulară; astfel, sunt lăsate să treacă doar anumite molecule dincolo de membrană
- proteinele permit mișcarea dintr-o zonă cu o concentrație mare într-o zonă cu o concentrație mică, numărul acestora influențând difuziunea facilitată
Transportul activ
Transportul activ reprezintă o altă modalitate de transport suplimentar și activ al moleculelor. Mod de desfășurare:
- compușii chimici trec prin membrana celulară dintr-o regiune cu concentrație mică într-o regiune cu concentrație mare cu ajutorul proteinelor
- mișcarea se produce împotriva „gradientului de concentrație”
- energia utilizată este energia furnizată de adenozin trifosfat (ATP)
- rata transportului activ este limitată de numărul proteinelor transportoare
Exemplu de transport activ: la nivelul unei celule nervoase, ionii de sodiu sunt conduși la exteriorul celulei. Exteriorul celulei conține deja o concentrație mare de ioni de sodiu, deci mișcarea moleculară este împotriva gradientului de concentrație.
Endocitoza
Endocitoza reprezintă o altă modalitate de transport molecular.
Mod de desfășurare:
- endocitoza se realizează prin înglobarea unor molecule din mediul extern celulei
- moleculele vor fi introduse în interiorul celulei
- endocitoza include în proces membrana plasmatică și proteinele sale
- membrana plasmatică trebuie să facă o mișcare de pliere și înglobează particulele și moleculele mici din exteriorul celulei, formând o veziculă care va migra în celulă
Formele particulare de endocitoză sunt când este vorba de particule solide sau lichide. Aceste forme particulare sunt:
- fagocitoza – particula ingerată este solidă
- pinocitoza – particula ingerată este lichidă
Spre exemplu, globulele albe îndepărtează microbii din circulația sangvină prin endocitoză.
Exocitoza
Exocitoza este un proces de mișcare celulară opus endocitozei.
Mecanismul de desfășurare:
- mișcarea este din interiorul celulei, spre exteriorul acesteia
- particulele sunt înglobate în vezicule și transportate prin citoplasmă
- produsul de excreție, adică ceea ce se află în vezicule, va fi transportat spre suprafață
- vezicula se rupe prin fuziunea cu membrana celulară și produsul de secreție este eliminat la exterior
- exocitoza este efectuată în timpul eliberării hormonilor din glandele secretoare endocrine, în cazul neurotransmițătorilor de la nivelul terminațiilor nervoase și în cazul mucusului secretat de către celulele anumitor organe
Nucleul
Caracteristicile nucleului:
- reprezintă partea principală a celulei
- este indispensabil de citoplasmă, deoarece aici au loc unele procese metabolice, dar și sinteze proteice
- are rolul de a coordona procesele biologice ce au loc în celulă
Acest lucru se întâmplă prin transmiterea unor mesaje de la nucleu la întreaga celulă. Aici se produc și schimburile de informații genetice dintre moleculele de ADN și ARN.
Unii oameni de știință consideră că nucleul este creierul celulei. Se mai poate numi și parte constitutivă.
Aproape toate celulele prezintă nucleu, mai puțin hematiile. Toate celulele care nu prezintă nuclei se numesc celule anucleate. Există și celule care prezintă mai mulți nuclei, și se vor numi celule polinucleate.
Nucleul conține:
- membrană nucleară sau înveliș nuclear
- carioplasmă
- unul sau mai mulți nucleoli
- ADN(acid dezoxiribonucleic)
- ARN(acid ribonucleic)
Structural, nucleul este compus din histone. Histonele:
- sunt un tip de proteine
- ele sunt cadrul principal de sprijin pentru ADN
- se unesc cu ADN-ul si formează nucleozomii
Nucleozomii:
- sunt structuri cu dimensiuni electromicroscopice
- ei se înfășoară și formează cromozomii
În compoziția nucleului se mai prezintă unul sau mai mulți nucleoli. Nucleolii:
- sunt mase dense ce conțin acid ribonucleic, prescurtat și ARN
- ARN-ul are rolul de a interveni în producerea unor organite numite ribozomi; ribozomii sunt subunități moleculare, asamblate și introduse în citoplasma celulei
Nucleul:
- conține în cantități mari ADN, sau acid dezoxiribonucleic; acesta reprezintă unitatea structurală esențială fiecărei celule
- ADN-ul are rolul de a defini o celulă, la fel cum diferențiem persoanele după nume
Alcătuirea ADN-ului este din unități liniare numite cromozomi.
Cromozomii:
- sunt alcătuiți din gene
- au rolul de a menține intactă informația ereditară
Genele:
- sunt esențiale deoarece de ele depinde informația genetică
- ele conțin informația specifică a unei proteine, de exemplu, sau a enzimelor structurale, cu o anumită funcție deja stabilită
- ele se transferă mai departe viitoarelor celule; putem spune astfel, că este un aspect erediar, genetic; drept dovadă, în organismul uman avem undeva la 30 000 de gene
Membrana nucleară:
- reprezintă învelișul nucleilor celulelor umane
- prezintă o structură membranară dublă, formată din două straturi duble, comparativ cu membrana celulară care conține un singur strat dublu; stratul dublu este reprezentat de fosfolipide, așezate tot pe două straturi
- prezintă pori; acești pori ii permit să comunice liber cu citoplasma celulei
Diferențele dintre membrana plasmatică și cea nucleară sunt:
- membrana plasmatică are un singur strat de fosfolipide
- membrana nucleară are strat dublu de fosfolipide
Citoplasma și organitele
Citoplasma:
- se prezintă ca o substanță semilichidă
- partea nestructurată este denumită hialoplasmă
- partea structurată o reprezintă organitele celulare comune și specifice; ele îndeplinesc funcțiile celulare
Organitele celulare sunt de două tipuri:
- organite comune
- organite specifice sunt pentru anumite tipuri de celule; ele sunt găsite în celula musculară, celula nervoasă etc.
Organitele comune:
- sunt găsite în toate tipurile de celule
- sunt reprezentate de:
- reticul endoplasmatic neted
- reticul endoplasmatic rugos
- aparatul Golgi
- lizozomul
- mitocontria
- centrozomul
Reticulul endoplasmatic:
- este un organit comun al citoplasmei
- este alcătuit dintr-un ansamblu de membrane conectate între ele; aceste membrane se extind în citoplasmă
Reticulul endoplasmatic neted:
- pe suprafața sa nu se observă nicio incluziune
- are rol în sinteza de lipide, depozitarea calciului și sinteza membranei celulare
Reticulul endoplasmatic rugos:
- acest organit prezintă pe suprafața sa ribozomi, ceea ce îi conferă un aspect rugos
- rolul lui este în a fi sediul sintezei proteice
- sinteza proteică se realizează la nivelul ribozomilor, prin combinarea aminoacizilor
La unele celule, reticulul endoplasmatic poate prezenta diferite prelungiri:
- temporare:
- se numesc pseudopde
- au rolul de a ajuta celula în deplasare
- permanente:
- sunt numite cili (sau microvili), și desmozomi
- au rol în adeziune și mișcare moleculară
Aparatul Golgi:
- se mai numește și corpul Golgi
- este alcătuit din mai mulți saci de diferite dimensiuni, care se prezintă sub formă turtită și curbați la capete; acești saci au forma literei C
- sacii se unesc la capete și vor forma niște vezicule, care seamănă cu picăturile de ploaie
- proteinele și lipidele din interiorul aparatului Golgi sunt împachetate și transportate unde sunt necesare
Lizozomul:
- este un derivat din sacii ce aparțin aparatului Golgi
- se prezintă ca o veziculă ce conține enzime
- au rol în digestia din interiorul celulei prin eliberare de enzime
Enzimele au rolul de a degrada anumite particule ajunse în celulă, particule cu rol nutritiv. Ele pot să pună la dispoziție produși finali de metabolism.
Mitocondria:
- mai poartă numele de „generatoare de energie” a celulei; acest nume definește funcția sa
- are rol în a produce energie
- în mitocondrie este eliberată cea mai mare cantitate de energie; această energie este preluată în totalitate din alimente
- în mitocondrie se observă procesele de degradare ale moleculelor de lipide, glucide și proteine
- toată energia obținută din degradarea acestor elemente este folosită pentru a forma energie sub forma unor molecule de ATP (adenozin trifosfat)
- mitocondria este foarte importantă în etapa de respirație celulară
- o respirație celulară completă este realizată atunci când hidrogenul se combină cu oxigenul și electronii, rezultând apa
- mitocondria folosește oxigenul din aerul inspirat pentru a forma energie; deci, fără oxigen, nu se poate produce ATP și nicio altă formă de energie; lipsa oxigenului duce la moarte celulară
Centrozomul:
- este reprezentat de 2 centrioli dispuși lângă nucleu
- acești centrioli cilindrici vor avea rol în diviziunea celulară
Citoscheletul:
- este o structură celulară
- se prezintă sub formă de rețea; rețeaua din care este alcătuită este prezentată sub formă de fibre, filamente și molecule îmbinate; aceste elemente sunt interconectate unele cu celelalte și sunt formate din subunități proteice
- datorită aspectului său, va avea rolul de suport celular, de aceea conține sufixul de „-schelet”
Cilii și flagelii sunt reprezentați sub formă de extensii celulare.
Flagelul:
- este lung rar, subțire.
- are aspectul unui fir de păr
- rolul său este de a asigura mișcarea celulelor
- un exemplu de celule la care asigură mișcarea, sunt spermatozoizii.
Cilii:
- sunt mult mai scurți și mai deși decât flagelii
- sunt localizați la nivelul căilor respiratorii principale, dar și aeriene superioare
- deoarece sunt mai scurți, vor ajuta la deplasarea mucusului, împreună cu toate particulele străine care s-au atașat pe el
- mișcarea ciliilor este una ondulatorie și sincronizată
Structura și funcția organitelor și a altor componente celulare
Celulele și energia
Pentru a putea exista viață, este nevoie ca celulele și moleculele să fie organizate. Organizarea respectivă a tuturor moleculelor și celulelor care formează țesuturi presupune energie.
Energia se definește ca o capacitate de a realiza o anumită activitate de către celule sau molecule, în cazul nostru. Ea este folosită de celule pentru a menține viața celulară, iar mai apoi, la nivel mai înalt, pe cea umană. Deci, orice reacție ce are loc în corpul uman, se desfășoară cu consum de energie.
Principiul pe care mergem stabilește că pentru orice reacție este nevoie să se folosească o cantitate destul de mare de energie.
El este susținut de o lege a termodinamicii. Această lege enunță faptul că o celulă care se află într-un sistem închis descrește continuu, adică își pierde din energie. Pierderea energiei poate fi compensată prin aprovizionarea cu o altă energie din surse externe. Sursa lor externă energetică provine din alimentele ingerate.
Noi folosim energie pentru orice acțiune, ele având la bază, de fapt, reacții chimice. Atomii, moleculele și compușii chimici nu se combină imediat și direct, și nici nu se degradează instant. Ei au nevoie de puțin timp și energie pentru a realiza aceste lucruri, printr-un aport numit energie de activare.
O reacție între un produs ce conține mai multă energie decât reactantul său va fi catalogată ca o reacție exergonică, în urma căreia se eliberează energie.
O reacție dintre un produs ce conține mai puțină energie decât reactantul său va fi numită reacție endergonică, energia survenind din alte surse și care se depozitează în diverse forme.
Enzimele
Enzimele:
- sunt proteine, mai exact catalizatori biologici
- sunt în număr de milioane la nivelul corpului uman
- rolul lor este de a accelera reacțiile chimice în care sunt implicate, prin degradarea substanțelor
- enzimele nu „se consumă”, ele rămân neschimbate
Mod de acționare:
- enzimele catalizează reacțiile pe rând; există o enzimă pentru fiecare reacție
- ele catalizează reacții chimice diferite, în funcție de proprietatea lor
- substanțele asupra cărora acționează o enzimă se numesc substraturi
- produsul de reacție catalizată de o enzimă poartă numele de produs final
Enzimele prezintă în alcătuirea lor o zonă cheie numită zonă activă. Această zonă activă este cea care va interacționa cu substratul, rezultând produșii finali. Putem asemăna interacțiunea dintre zona activă și substratul ca piesele unui puzzle care se potrivesc.
Pentru a putea diferenția miile de clase de enzime între ele, vor purta câte un nume specific, ce se va termina în „-ază”. Câteva exemple de enzime: amilază, hidrolază, peptidază, kinază, catalază (enzima care degradează apa oxigenată – peroxidul de hidrogen).
Durata unei catalizări efectuată de o enzimă, este de câteva milisecunde. Această viteză este susținută de mai mulți factori , precum:
- temperatura
- aciditatea
- concentrația substratului (să fie direct proporțională cu a enzimei)
În cazul în care reacția se desfășoară la o temperatură ridicată, se poate observa cum procesul este accelerat, dar dacă temperatura este prea ridicată, procesul poate să denatureze enzima, iar reacția nu va mai avea rezultatul dorit.
Calea metabolică:
- reprezintă o succesiune de reacții chimice care se desfășoară într-o celulă
- aici participă enzime
Cele mai cunoscute căi metabolice sunt:
- anabolismul – înseamnă producerea, sau înființarea de molecule mari
- catabolismul – înseamnă distrugerea, degradarea, sau digestia moleculelor mari
Adenozin trifosfat
Adenozin trifosfatul:
- se prescurtează ATP
- este la bază o substanță ce furnizează energia tuturor celulelor
- energia celulelor este produsă în decursul reacțiilor exergonice ale catabolismului
- energia va fi depozitată la nivelul moleculelor de ATP; după ce energia este stocată de către ATP, ea va fi utilizată pentru alte procese energetice
O moleculă de ATP este alcătuită din 3 componente:
- atomi:
- carbonul
- azotul
- aceste elemente chimice se vor dispune sub forma unui inel dublu; această componentă se numește adenină
- un glucid: este alcătuit din 5 atomi de carbon; această componentă se numește riboză
- trei unități fosfat – vor fi unite printr-o legătură covalentă puternică, cu un nivel de energie ridicat
Atunci când o celulă are nevoie de energie, se va folosi o moleculă de ATP. Din componentele ATP-ului, cele mai importante sunt unitățile fosfat. Acestea, se vor transforma în ion fosfat. Sub această formă de ion fosfat, vor asigura aportul energetic necesar celulei. Ionul fosfat eliberează 7,3 kilocalorii per mol de ATP.
Mitoza și reproducerea celulei
Ciclul celular
Ciclul celular se poate defini ca o repetare continuă de înlocuire a celulelor. Pe scurt, ciclul celular se prezintă ca o etapă în care celula mamă se divide în două celule fiice. Acesta, va prezenta două etape:
Aceste etape se succed continuu: interfază-mitoză-interfază-mitoză…
Interfaza:
- reprezintă momentul în care se desfășoară toate activitățile celulare specifice
- cea mai importantă activitate desfășurată într-o celulă este replicarea de ADN, chiar în momentul interfazei
Mitoza:
- reprezintă momentul în care moleculele de ADN se divid în celule fiice, adică 2 celule identice
- citokineza reprezintă diviziunea celulară propriu-zisă
Întorcându-ne la interfază, aceasta va prezenta trei etape:
Faza G1:
- va fi următoarea imediat după mitoză
- în această etapă putem observa:
- apare sinteza de proteine
- celula crește în dimensiuni
- cromozomi sunt sub formă de cromatină spiralată
Aceste proporții luate de celulă sunt pentru a asigura locul de desfășurare a unor noi proteine structurale, chiar și unor enzime.
Faza S:
- urmează după faza G1
- în această etapă putem observa:
- creșterea celulară continuă
- molecule de ADN la nivelul nucleului se replică
- cromozomii sunt despiralizați și nu se pot observa; dimensiunea cromozomilor este redusă; acest lucru ajută la copierea lor: cu cât sunt mai mici, cu atât copierea lor este mai ușoară și rapidă
Cromatidele sunt segmentele ce se formează în urma ruperii în două a unui cromozom. Cromatidele trebuie să corespundă câte două din faza S pentru una din faza G1.
O celulă umană posedă un număr de 46 de cromozomi. În faza G1, fiecare dintre acești cromozomi vor avea atașați pe ei câte o cromatidă.
În faza S, vom observa tot 46 de cromozozomi, situați la centromer, cu câte două cromatide corespondente cromatidei din faza G1.
Faza G2:
- reprezintă continuarea creșterii celulare
- este următoarea după faza S
- în faza G2 putem observa:
- celula se pregătește pentru mitoză
- din proteine se formează multe filamente; un filament poartă numele de fus de diviziune
- fusul de diviziune se asamblează la începutul mitozei
- fusul de diviziune se dezasamblează la sfârșitul mitozei
- filamentele fusului sunt alcătuite din microtubuli
Următorul pas după interfază va fi mitoza. Mitoza poate începe atunci când tot materialul nuclear se află dispus sub formă de cromatină
Mitoza
Mitoza este un termen ce a fost tradus din latinescul „mito”, acest cuvânt inseamnând „filament”. Este un proces foarte complex, circular și continuu, ce urmează după faza G2 și completează ciclul celular.
În procesul de mitoză putem observa:
- materialul nuclear este dispus vizibil sub formă de 46 de cromozomi
- crozomomii se organizează intracelular, în centru
- cromatidele se despart ce cei 46 de cromozomi
Din momentul în care cromatidele nu mai sunt atașate de cromozomii inițiali, se vor numi și ele cromozomi. Fostele cromatide se vor deplasa spre o altă celulă nouă.
Mitoza, deoarece este un proces complex și lung, oamenii de știință au propus să împartă tot procesul de mitoză în 4 etape:
- profază
- metafază
- anafază
- telofază
Profaza:
- reprezintă prima parte a procesului de mitoză
- în această etapă putem observa:
- condensarea cromatinei
- formarea de filamente vizibile
- nucleolii dispar
- membrana celulară se dezasamblează
- profaza se desfășoară atât timp cât cromatidele și filamentele sunt vizibile
Pentru siguranță, în această etapă se realizează două copii pentru fiecare filament de cromozomi. De aici, filamentele se vor numi cromatide surori. Sunt surori deoarece seamănă între ele sau sunt chiar identice.
Cromatidele surori sunt unite printr-un centromer. La nivelul centromerului există doi centrioli. Centrolii au o direcție spre polii opuși ai celulei. Filamentele se vor extinde spre polii opuși ai celulei.
Centrolii sunt structuri microscopice. Când fiecare centriol a ajuns la polul respectiv, va fi înconjurat de microtubuli radiari, denumiți și aster.
Cromatidele se atașează de filamentele recent ajunse. Ele se leagă de filamente prin intermediul unor kinetocori. Acești kinetocori prezintă în structura lor o proteină motorie care permite cromozomilor să se miște.
Toate cromatidele împreună cu perechile lor, vor ajunge în planul ecuatorial al celulei și se va forma placa ecuatorială.
Finalul profazei prevede toate cromatidele ce se duc spre centrul celulei pentru a se alinia.
Metafaza:
- este a doua etapă din mitoză
- în această etapă putem observa:
- perechile de cromatide aliniate în planul ecuatorial
- o placă ecuatorială, sau placă metafazică, formată datorită poziției cromatidelor
Placa ecuatorială va avea 92 de cromatide aliniate, pe 46 de cromozomi. Toți cromozomii sunt conectați la kinetocori. Prin intermediul kinetocorului, cromozomii sunt conectați cu filamentele fusului de diviziune.
Cele două cromatide se despart, și fiecare cromatidă în parte va purta numele de cromozom.
Anafaza:
- este a treia etapă a mitozei
- în timpul anafazei putem observa:
- fostele cromatide, adică cromozomii, se îndepărtează din planul ecuatorial; fiecare cromozom va fi atașat la mijloc de un filament de diviziune propriu
- cromozomii, în număr de 46, vor fi atrași de către un pol diferit al celulei
- cromozomii vor căpăta forma literei V; acest aspect se datorează mișcării cromozomiale
Deoarece cromozomii sunt atașați doar la mijlocul lor de filamente, restul cromozomului, va rămâne în urmă. Capetele nelegate de filamentul de diviziune poartă numele de telomere.
Telofaza:
- este ultima etapă descrisă de oamenii de știință, ce face parte din mitoză
- în telofază putem observa:
- cromozomii au ajuns la polii celulei
- cromozomii se despiralizează și se dispersează pentru a forma mase de cromatină
- fusul de care cromozomii au fost legați, se dezasamblează și el
- reapar nucleoli
- învelișul nuclear se reface
Citokineza
Citokineza reprezintă un proces prin care putem observa cum se divide citoplasma în două celule distincte.
Etape:
- se formează un șanț de clivare
- membrana va împărți citoplasma pentru a forma cele două celule, numindu-se clivaj celular
În celula umană, citokineza se desfășoară începând de la formarea unui șanț de clivare. Acest șanț este localizat la nivelul plăcii ecuatoriale. Membrana celulară va avea o formă neregulată, va strangula citoplasma, ajutând la formarea a două celule fiice. La acest proces, un rol foarte important îl realizează și microfilamentele. Ele ajută la diviziunea celulei, prin contracția lor.
Putem trage concluzia că mitoza și citokineza au un rol esențial în dezvoltarea și înnoirea organismului. Ele sunt procese care trebuiesc ținute sub control. Toate celulele deteriorate, sau îmbătrânite sunt înlocuite cu altele noi prin procesele de citokineză, mitoză.
Procesul de diviziune, împreună cu toate etapele sale, se produce doar când este necesar. În momentul în care aceste cicluri celulare de reînnoire nu mai funcționează în condiții normale, iar diviziunea se realizează continuu, poate apărea cancerul. Aceste procese nu mai funcționează bine deoarece la nivelul celulei poate apărea o modificare, de exemplu în cazul mutațiilor de ADN. Cancerul presupune, la nivel celular, mitoze în mod repetat, necontrolate.
Sinteza proteică
Proteinele sunt grupuri de aminoacizi ce îndeplinesc roluri esențiale în organism. Proteinele pot fi păstrate și în interiorul celulei. Aici sunt utilizate în diferite moduri, precum:
- sub formă de enzime
- materiale structurale celulare
Proteinele pot fi localizate în două locuri:
Proteinele intracelulare:
- sunt cele mai răspândite
- sunt folosite drept material structural; acest material structural este de folos în sinteza proteică
- proteinele intracelulare mai sunt găsite și în:
- microtubuli
- miofilamente
- citoschelet
- reticul endoplasmatic
- membrana plasmatică
- membrane intracelulare
Proteinele extracelulare:
- sunt cele din exteriorul celulei
- sunt specializate pentru a îndeplini diferite roluri
- exemple de elemente formate de proteine extracelulare:
- hormoni
- ligamente
- păr
- piele
- unghii
Proteinele prezintă în alcătuirea lor o secvență foarte importantă în care sunt legați aminoacizii, determinată de codul genetic deținut de ADN. Codul genetic constă în modul în care sunt așeate bazelele azotate din ADN. Elementele esențiale pentru ca sinteza proteică să aiă loc sunt:
- enzime
- ADN
- ARN
- rezervă de 20 de aminoacizi
ARN-ul transportă informația de la ADN în citoplasmă, unde se sintetizează proteinele.
Diferențele dintre ADN și ARN:
- ADN-ul conține bazele azotate: adenină, guanină, citozină, timină
- ARN-ul conține bazele azotate: adenină, guanină, citozină, uracil
- ARN-ul, spre deosebire de ADN, prezintă glucida riboză
- ADN-ul conține glucida dezoxiriboză.
Tipuri de ARN
ARN-ul:
- poate fi găsit sub patru tipuri; acestea sunt diferite, deoarece au funcții diferite în timpul sintezei proteice:
- ARN ribozomal
- ARN de transport
- ARN mesager
- ARN de reglare
ARN ribozomal:
- poate fi prescurtat și ARNr
- este o componentă a ribozomilor; ribozomii sunt, de fapt, combinația dintre ARN și proteine
- rolul ribozomilor este de a lega aminoacizii între ei, cu scopul de a forma proteine
- ribozomii se găsesc în citoplasmă, în formă liberă, sau atașați de membranele reticului endoplasmatic rugos
ARN de transfer:
- prescurtarea lui este ARNt
- se găsește în citoplasma celulelor, liber
- are rolul de a transporta aminoacizii la ribozomi
ARN mesager:
- se poate prescurta ARNm
- rolul său este de a transporta codul genetic în citoplasmă
- ARNm primeste informația de la ADN; ARNm va utiliza această informație pentru sinteza de noi proteine
ARN de reglare:
- această arie a ARN-ului de reglare încă este în stadiu de cercetare
- are rol în controlarea expresiei genice
- are rol în sinteza proteică
Transcripția
Sinteza proteică:
- este un proces complex
- necesită mai multe etape
- în această etapă se sintetizează o catenă de ARNm pe baza complementarității bazelor azotate din molecula de ADN
Desfășurarea procesului:
- enzima ARN-polimerază se va lega de o moleculă de ADN a dublului helix la locul unde gena va fi exprimată
- ARN-polimerază va începe să citească nucleotidele pe rând
- enzimele vor acționa prin selectarea de nucleotide care au baze complementare libere
- nucleotidele vor fi dispuse de enzime pentru a forma o moleculă de ARNm; acest lucru se întâmplă datorită principiului complementarității bazelor azotate
Tot acest proces de formare de lanțuri de ARNm, se realizează până va exista un semnal de terminare a acestuia, precum un codon stop.
Pentru a fi înțeles mai bine, se poate considera un exemplu dat de ADN și ARN. Dacă ADN-ul prezintă citozină, în ARN se va insera o moleculă de guanină. Dacă ADN deține o moleculă de timină, ARN va deține la rândul ei o molecula de adenină. Dacă ADN-ul va conține o moleculă de adenină, ARN va conține o moleculă de uracil.
Codonul – reprezintă o grupă de 3 baze azotate, ce definesc o nucleotidă.
Orice combinație de trei baze azotate dintre cele 4 va purta numele de codon. Nucleotidele catenei de ARNm vor fi citite în grupe de câte 3 baze azotate.
Putem exemplifica un codon cu bazele azotate:
- citozină, guanină, adenină: CGA
- citozină, uracil, citozină: CUC
- trei nucleotide de adenină: AAA
Atunci când sinteza ARN-ului mesager este completă, informația va fi transportată la ribozomi. Molecula de ARNm va pleca de la nivelul nucleului printr-un por, la nivelul citoplasmei, în ribozomi. Simultan, molecula de ADN se va răsuci pentru a reforma axul dublu helix.
Translația
Translația se definește ca un proces de citire, de decodificare a unui mesaj, într-o secvență de aminoacizi(aminoacizii sunt componente ale proteinelor). În procesul de translație putem observa:
- moleculele de ARNm se atașează de ribozomi
- simultan, moleculele de ARNt se atașează de aminoacizi, pe care îi transportă la ribozomi, pentru a întâlni un ARNm
- ARNm își expune bazele sub formă de codoni
- un ARNt are un anticodon ce se va lega de o bază din codonul complementar al ARNm
- un ARNm are un codon ce se va lega de o bază din anticodonul complementrar al ARNt; deci, doar ARNt are anticodon, în timp ce ARNm are codoni
- prima moleculă de ARNt eliberează propriul aminoacid
- a doua moleculă de ARNt leagă aminoacidul său de primul aminoacid prin enzime ribozomale
- primul ARNt revine în citoplasmă pentru a cauta alt aminoacid
- ribozomul va migra pe ARNm un codon
- ribozomul conține cei doi aminoacizi de la ARNt
- a treia moleculă de ARNt își va lega aminoacidul de un următorul codon
- a doua moleculă de ARNt va pleca în citoplasmă pentru a căuta un al aminoacid
- moleculele de ARNm, după ce nu mai conțin baze azotate, se degradează; nucleotidele ARNm se întorc la celulă
- moleculele de ARNt rămân în citoplasmă pentru a aștepta să se lege de noi aminoacizi
- ribozomul va deplasa peptidul; o peptidă este formată din mai mulți aminoacizi; acest peptid se va muta deoarece de el se va atașa un alt aminoacid adus de un alt ARNt
- proteina finală va fi eliminată din ribozom; ea va putea ajunge la nivelul organitelor celulare pentru procesare
- după modificare, va fi stocată în veziculele secretoare; proteina finală poate să fie eliminată din veziculă și trimisă lizozomilor pentru a putea fi transformată în enzimă
- proteina poate să fie păstrată intracelular și folosită drept component celular
- ribozomii, după eliberarea proteinei, se vor pregăti din nou pentru formarea unei alte proteine
Tot acest proces se repetă până apare un codon stop. Codonii stop sunt doar 3 la număr, ei nu pot codifica aminoacizi. Rolul codonilor stop este de a semnala ribozomului că nu mai este nevoie de aminoacizi.
Exemple de codoni stop:
Controlul genetic
Expresia genetică este controlată de celulă, încontinuu. Ea trebuie să realizeze reproducerea doar atunci când este cazul. Cantitățile în plus de substanțe, enzime, proteine sunt considerate „o risipă”. Exemplu foarte bun ar fi redat de enzimele digestive. Ele sunt secretate doar atunci când este nevoie, la digerarea chimică a alimentelor. Producerea lor în exces este necorespunzătoare atât pentru corp, cât și pentru randamentul celular.
Anumite glande secretă un anumit tip de suc sau de hormoni, în funcție de localizarea și rolul lor. Celulele de la nivelul creierului nu sunt capabile să secrete enzime digestive, de exemplu.
Controlul expresiei genice apare doar la câteva niveluri în celulă, precum:
- în mitoză
- în transcripție
- după transcripție
Cromozomul implicat în procesul de mitoză este răsucit și comprimat puternic. Genele care realizează aceste legături sunt strâns legate. Acest lucru afectează într-un mod pozitiv accesul la gene.
În momentul transcripției, transmiterea genelor poate fi modificată de moleculele de ADN. Acestea au proprietatea de a controla activitatea genelor care sunt situate în apropiere.
După efectuarea transcripției, se poate observa cum molecula de ARNm se modifică. Acest lucru va avea regla activitatea genică.
Oamenii de știință au descoperit că în structura moleculelor de ARNm că există introni. Intronii sunt secvențe intercalate și necodante de material genetic. Ei nu dețin informații genetice despre sinteza de proteine și sunt răspândiți la nivelul tuturor celulelor umane. Aceștia sunt dați la o parte atunci când se produce molecula de ARNm finală.
Exonii:
- sunt reprezentați de regiunile funcționale ale genelor utilizate
- rolul exonilor este în a codifica proteinele celulei în care se găsesc
- resturile de ARNm sunt numite exoni; ele sunt mai apoi unite
- prin unirea mai multor resturi de molecule de ARNm, se va forma o moleculă finală de ARNm
- exonii vor forma o masa aproximativă de 5% din tot materialul genetic prezent în celulele unui organism uman; acest procent de 5% va mai reprezenta și partea exprimată a genomului uman
Dacă se elimină intronii și se păstrează exonii, celula are capacitatea să modifice informația primită de la ADN.
