Celula

Articole similare

Avicena: Savantul care a Revoluționat Medicina și Filosofia

Cutremurele și Siguranța Seismică în România

Microbiomul Uman: O Lume Complexă în Interiorul și pe Suprafața Corpului Nostru

Cum Definim O Celulă?

Celula este o masă de substanță vie (citoplasmă) înconjurată de o membrană.
Un organism viu este format din multe celule.
Fiecare celula este formata dintr-o masa de substanta numita citoplasma, care este inconjurata de o membrana celulara.
Celulele sunt foarte mici si nu pot fi vazute cu ochiul liber, fiind cele mai mici parti din corpul organismelor vii.
Celulele au, de obicei, unul sau mai multi nuclei si alte parti specializate numite organite, care ajuta la indeplinirea diferitelor functii in corpul organismului.
Unele celule sunt organisme complete, precum bacteriile sau drojdiile, in timp ce altele sunt parti specializate ale organismelor multicelulare, cum ar fi plantele si animalele.
Pe măsură ce se dezvoltă, unele celule capătă funcții specifice și încep să colaboreze cu alte celule specializate, creând astfel baza organismelor multicelulare mari, cum ar fi oamenii și animalele.
Deși celulele sunt mult mai mari decât atomii, ele rămân totuși foarte mici pentru a putea fi observate cu ochiul liber.
Există anumite tipuri de bacterii numite micoplasme care sunt cele mai mici celule cunoscute.
Aceste organisme sunt foarte mici, având un diametru de aproximativ 0,2 μm, (1μm = aproximativ 0,000039 inch) adică mai mici decât o sferă de praf fin.
1 μm reprezintă un micron, care este egală cu o miime dintr-un milimetru.
Pentru a avea o imagine mai clară, diametrul unui fir de păr uman este în jur de 100 de μm.
Diametrul mediu al unei celule umane este de aproximativ 10-30 μm
Aceste celule sunt extrem de mici, dar chiar si asa o singură celulă poate avea o masă totală, egală cu cea a 8 miliarde de atomi de hidrogen.
Intelegeti acum cat de minunata este viata???
Dar sa intram si mai adanc in „poveste”!
În mod normal, celulele umane sunt mult mai mari decât o singură bacterie de micoplasmă, având o masă de aproximativ 400.000 de ori mai mare.
Cu toate acestea, chiar și cele mai mari celule umane au un diametru de doar aproximativ 20 μm.
Pentru a acoperi capul unui ac, ar fi necesare aproximativ 10.000 de celule umane.
Un organism uman este format dintr-un număr uriaș de celule – peste 30.000.000.000.000 de celule.
Este absolut fascinant cât de bine suntem structurați, cu zeci de trilioane de organisme vii in conexiuni minunate realizate cu abilitate și pricepere. În același timp, este trist să constatăm că suntem capabili să ne distrugem reciproc cu atât de puțin efort.

Celula Micul Laborator

O celulă este ca un mic laborator, capabil să facă multe lucruri importante pentru a supraviețui și a se multiplica.
Poate să proceseze alimentele, să creeze molecule și să producă energie pentru sine.
Celulele au capacitatea de a se multiplica și de a se reproduce, astfel încât să se formeze noi generații de celule.
Reacțiile chimice care au loc în interiorul celulei sunt strict controlate pentru a contribui la menținerea vieții și la reproducerea acesteia.
Într-un organism format din mai multe celule, acestea devin specializate pentru a îndeplini anumite funcții prin procesul de diferențiere.
Pentru a ajunge la acest stadiu, fiecare celulă menține o comunicare constantă cu cele din jurul său.
Aceasta primește nutrienți din mediul înconjurător, își elimină deșeurile și cooperează cu alte celule.
Când celulele similare se adună și cooperează, ele formează țesuturi, iar cooperarea între aceste țesuturi poate duce la formarea organelor necesare pentru susținerea vieții organismului.
În interiorul celulei se întâmplă multe reacții chimice importante, ca într-un mic univers.

Funcțiile și Rolul Celulelor în Organism

O celulă este delimitată de o membrană plasmatică, care îndeplinește funcția de barieră selectivă, permițând nutrienților să pătrundă în interiorul celulei, în timp ce deșeurile sunt eliminate.
În interiorul celulei există numeroase compartimente specializate, numite organe, fiecare fiind înconjurată de o membrană separată.
Unul dintre cele mai importante organe este nucleul celular, care conține informațiile genetice necesare pentru creșterea și reproducerea celulelor.
Fiecare celulă conține un singur nucleu, în timp ce alte organele sunt prezente în mai multe exemplare în interiorul celulei, adică în citoplasmă.
Printre aceste organele se numără

• mitocondriile, care sunt responsabile pentru procesarea energiei necesare supraviețuirii celulare,
• lizozomii, care digeră materiale nedorite în interiorul celulei,
• reticulul endoplasmatic și aparatul Golgi, care sunt implicate în sinteza, procesarea, sortarea și direcționarea moleculelor către locațiile lor adecvate din celulă.

În plus, celulele vegetale conțin cloroplaste, care sunt implicate în procesul de fotosinteză, prin care energia solară este utilizată pentru a transforma molecule de dioxid de carbon (CO2) și apă (H2O) în carbohidrați.
În interiorul celulei, există o zonă numită citosol, care este situată între organele celulare.
Citosolul conține un schelet fibros format din molecule organizate numite citoschelet, care oferă celulei forma sa și permit organelor să se miște și să interacționeze în interiorul acesteia.
De asemenea, citosolul este bogat în molecule și substanțe chimice implicate în procesul de biosinteză, adică producerea de molecule biologice mari din molecule mici.
Se estimează că există peste 10.000 de tipuri diferite de molecule implicate în acest proces în citosolul celular.

Celule Eucariote și Celule Procariote

Celulele eucariote se disting prin prezența organelor specializate, spre deosebire de celulele procariote care nu le au și sunt în general mai mici. Cu toate acestea, toate celulele, indiferent de tip, împărtășesc funcții biochimice similare.
Există două tipuri de celule în organismele vii: celule eucariote și celule procariote.
Celulele eucariote au organele specializate, care le permit să își îndeplinească funcțiile specifice.
În schimb, celulele procariote nu au organe specializate și sunt în general mai mici decât celulele eucariote.
Cu toate acestea, toate celulele au funcții biochimice similare.

Moleculele Din Componenta Unei Celule

Celulele sunt formate dintr-un ansamblu de molecule, care sunt protejate de o membrană.
Procesul general de reproducere celulară are două etape: creșterea și diviziunea celulară.
În timpul creșterii celulare, celula preia anumite molecule din mediul înconjurător prin intermediul membranei celulare.
Aceste molecule sunt selectate în mod specific și ajută la creșterea celulei.
După ce o celulă atinge o anumită dimensiune, ea se divide în două celule fiice prin procesul de diviziune celulară.
Acest proces este crucial pentru creșterea și regenerarea țesuturilor din organismul uman și pentru menținerea funcționării normale a organismelor vii.

Enzimele

După ce moleculele sunt luate în interiorul celulei, ele sunt procesate de molecule speciale și pliate numite enzime.
Enzimele au rolul de catalizatori, adică accelerează reacțiile chimice care au loc în celulă, prin legarea la moleculele ingerate și reglarea vitezei de modificare chimică.
Prin aceste modificări chimice, moleculele devin mai utile pentru celulă.
În plus, spre deosebire de moleculele ingerate, catalizatorii nu sunt modificați chimic în timpul reacției, permițând astfel unui singur catalizator să regleze o reacție chimică specifică în multe molecule.

Catalizatorii

Catalizatorii biologici sunt capabili să inițieze lanțuri de reacții în celulă.
Adică, o moleculă modificată chimic de un catalizator devine substratul pentru un al doilea catalizator, care va transforma această moleculă și va genera un alt substrat pentru un al treilea catalizator și așa mai departe.
Prin aceste lanțuri de reacții, catalizatorii folosesc molecule mici luate din mediul exterior al celulei pentru a crea produse de reacție din ce în ce mai complexe.
Aceste produse sunt esențiale pentru creșterea și replicarea celulelor, precum și pentru sinteza materialului genetic.
Odată ce materialul genetic a fost copiat și există suficiente molecule pentru a sprijini diviziunea celulară, celula se divide în două celule fiice.
Prin repetarea acestui proces de creștere și diviziune, fiecare celulă poate produce milioane de celule fiice, transformând cantități mari de materie neînsuflețită în molecule active biologic.

Cum Sunt Structurate Moleculele Biologice?

Majoritatea celulelor sunt compuse din compuși moleculari care conțin carbon.
Studiul interacțiunii atomilor de carbon cu alți atomi din compușii organici este baza chimiei organice și este esențial pentru înțelegerea funcțiilor celulare fundamentale.
Atomii de carbon sunt capabili să formeze legături puternice cu până la patru alte atomi, ceea ce îi face ideali pentru construirea moleculelor complexe.
Această capacitate unică de a forma legături multiple îi permite carbonului să creeze structuri moleculare variate, precum proteine, carbohidrați și acizi nucleici, care sunt esențiale pentru viața celulelor.
Moleculele complexe din celule sunt adesea formate din lanțuri sau inele de atomi, care includ atomi de carbon, hidrogen, oxigen și azot.
Aceste molecule pot fi compuse dintr-un număr variabil de atomi, începând de la 10 și ajungând până la milioane, în funcție de nevoile celulare specifice.
Cele mai multe dintre aceste molecule organice din celule se încadrează în una dintre cele patru categorii principale: zaharuri, aminoacizi, nucleotide și acizi grași, dar există și alte molecule organice importante în celule.

Macromoleculele

Studiul acestor molecule organice și a modului în care interacționează cu alte molecule este crucial pentru înțelegerea proceselor biochimice fundamentale care au loc în celule.
În fiecare din aceste grupuri de familii de molecule, există molecule care arată și funcționează asemănător între ele.
Aceste molecule au diverse roluri importante, dar sunt folosite pentru a construi molecule mai mari, numite macromolecule.
De exemplu, prin legarea moleculelor de zahar, se formează polizaharide precum amidonul și glicogenul, prin legarea aminoacizilor se formează proteine, prin legarea nucleotidelor se formează ADN-ul și ARN-ul prezente în cromozomi, iar prin legarea acizilor grași se formează lipidele care alcătuiesc membranele celulare.
Cu excepția apei, care reprezintă 70% din masa totală a unei celule, majoritatea componentelor sale sunt macromolecule.

Proteinele

Proteinele reprezintă cea mai mare parte a macromoleculelor prezente în celulă.
O proteină de dimensiuni medii este formată dintr-un lanț de aproximativ 400 de molecule de aminoacizi.
Fiecare aminoacid are un grup lateral unic de atomi, care interacționează cu grupele laterale ale altor aminoacizi din lanțul proteic.
Aceste interacțiuni dintre moleculele de aminoacizi sunt foarte precise și duc la plierea întregii molecule proteice într-o formă sferică compactă.
În teorie, există o varietate aproape infinită de proteine care pot fi formate, fiecare având o secvență unică de aminoacizi.
Cu toate acestea, majoritatea acestor proteine nu ar putea adopta forma necesară pentru a îndeplini o funcție specifică și, astfel, ar fi inutile pentru celulă.
Proteinele care se găsesc în celulele animalelor moderne, inclusiv cele umane, sunt produse ale unei evoluții îndelungate, în care proteinele strămoșilor au fost selectate natural pentru capacitatea lor de a dobândi forme tridimensionale specifice cu suprafețe funcționale unice, esențiale pentru supraviețuirea celulelor.

Enzimele

Majoritatea macromoleculelor catalitice din celule sunt enzime.
Aceste enzime sunt, în general, proteine.
Proprietatea cheie care le permite enzimelor să catalizeze reacții chimice este abilitatea lor de a se schimba în formă atunci când se leagă de substrat, astfel încât să poată aduna grupuri reactive de pe moleculele substratului.
Există, de asemenea, un alt tip de enzime cunoscute sub numele de ribozime, care sunt macromolecule de ARN cu proprietăți catalitice.

Ribozimele

Ribozimele sunt macromolecule formate din lanțuri liniare de nucleotide care se pliază în moduri specifice, asemănător cu modul în care proteinele se pliază.
Fiecare ribozimă are o secvență unică de subunități de nucleotide care o caracterizează.
În celule, majoritatea catalizatorilor sunt enzimele, care sunt, în mare parte, proteine.
Enzimele se leagă de substratul lor și își schimbă forma pentru a aduna grupuri reactive de pe moleculele substratului.
Moleculele de ARN sunt mai puțin utilizate ca catalizatori în celule, probabil din cauza diversității mai mari de lanțuri laterale de aminoacizi la proteine, care le permite să se modifice în forme mai complexe.
Cu toate acestea, în timpul evoluției, se crede că moleculele de ARN au catalizat majoritatea reacțiilor chimice necesare înainte ca celulele să poată evolua.

Reacțiile Chimice Cuplate în Metabolismul Celular

Pentru ca celulele sa functioneze corect, trebuie sa respecte principiile chimiei si ale termodinamicii.
Atunci cand doua molecule reactioneaza in interiorul celulei, atomii lor sunt rearanjati pentru a forma noi molecule si pentru a elibera sau consuma energie.
De obicei, reactiile chimice sunt unidirectionale, ceea ce inseamna ca moleculele produse nu se pot transforma din nou in moleculele originale prin procesul invers.
Aceasta se explica prin faptul ca moleculele nu pot suferi o schimbare de la o stare cu energie mai mica la una cu energie mai mare fara sa primeasca energie externa.
Acest principiu se bazeaza pe conceptul de energie libera, care reprezinta capacitatea unei molecule de a efectua o munca si in cazul reactivitatii chimice, aceasta reprezinta rearanjarea atomilor in cadrul reactiei.

Energia Liberă Din Celulă

Atunci când o reacție chimică are loc într-o celulă, energia liberă este eliberată și parte din aceasta se pierde.
Acest lucru face ca reacția să aibă o energie liberă mai mică și să fie direcționată doar într-un singur sens.
O analogie mecanică pentru acest proces ar fi apa care curge în jos de pe un deal, ajungând într-o stare de energie liberă mai mică și nefiind capabilă să revină în vârf.
Cu toate acestea, energia poate fi furnizată dintr-o sursă externă pentru a readuce apa în vârf, prin intermediul unei pompe, de exemplu.
În celule, moleculele produse în urma unei reacții chimice nu pot reveni la starea lor inițială fără furnizarea de energie printr-o altă reacție chimică cuplată.
Catalizatorii, inclusiv enzimele, accelerează reacțiile chimice fără a le schimba direcția.

Analogie Pentru Energia Liberă Din Celulă

Spre exemplu, continuand analogia noastra cu apa, enzimele nu pot face ca apa să curgă în sus, dar pot oferi un traseu specific pentru a curge în jos.
În celulă, majoritatea reacțiilor chimice necesare pentru sinteza noilor molecule necesare creșterii necesită energie suplimentară pentru a se produce.
Cu alte cuvinte, aceste reacții necesită mai multă energie decât pot furniza moleculele lor inițiale.
Celulele au dezvoltat o strategie ingenioasă pentru a depăși limitele impuse de chimie: ele utilizează energia eliberată într-o reacție chimică pentru a alimenta o altă reacție care necesită energie și altfel nu ar avea loc.
Poți să-ți imaginezi acest proces ca o roată de moară care este acționată de apa unui pârâu: apa trebuie să treacă prin paletele roții pentru a ajunge în vale, ceea ce face ca roata să se rotească.
Prin aceasta, o parte din energia mișcării apei este utilizată pentru a face roata să se rotească, iar roata poate fi conectată la un troliu.
Pe măsură ce troliul se întoarce, acesta poate fi folosit pentru a trage o sarcină grea în sus.
Deci, prin cuplarea mișcării în sus a unei sarcini care absoarbe energie, la fluxul de apă care eliberează energie, celulele pot realiza procese care necesită mai multă energie decât poate fi furnizată de moleculele lor inițiale.
În celule, enzimele joacă un rol important similar cu cel al roților morii, prin cuplarea reacțiilor de eliberare a energiei cu reacțiile de absorbție a energiei.
O reacție cheie în celule care eliberează energie este hidroliza adenozin trifosfatului (ATP), iar producția de ATP necesită descompunerea moleculelor de zahăr și absorbția energiei.
Pentru a repeta acest lanț de reacții, trebuie să înțelegem mai întâi de unde provin moleculele de zahăr.

Fotosinteza: Baza Lanțului Trofic

În plante și bacterii, fotosinteza produce molecule de zahăr care sunt esențiale pentru susținerea vieții în lanțul trofic.
Aceste organisme sunt considerate fundamentul lanțului trofic, deoarece animalele și alte organisme care nu pot produce propriile molecule organice depind de ele pentru a se hrăni și a trăi.
De exemplu, oamenii obțin aceste molecule consumând plante sau animale care au consumat anterior plante sau organisme ce au produs molecule prin fotosinteză.
Plantele și bacteriile care fac fotosinteză sunt deosebite pentru că au capacitatea de a transforma energia electromagnetică a soarelui în energie chimică de legătură, care este implicată în reacțiile chimice.
Acest proces poate fi exprimat printr-o ecuație simplă: energie solară plus dioxid de carbon și apă conduc la producerea moleculelor de zahăr și oxigen.
De unde rezulta ca:

• ES + CO ₂ + H ₂ O = MZ + O _2.
• Energia Solară = ES
• Dioxid De Carbon = CO ₂
• Apa = H ₂ O
• Molecule De Zahăr = MZ
• Oxigen = O ₂

Procesul de fotosinteză este opusul reacției de descompunere oxidativă care eliberează energie din moleculele de zahăr.
În timpul fotosintezei, moleculele de clorofilă captează energia solară și o utilizează pentru a produce zaharuri simple și alte carbohidrați.
Această abundență de molecule organice și produse biologice fac posibilă existența vieții nefotosintetizante pe Pământ.

Cum Furnizează ATP: Energie Pentru Reacțiile Chimice?

ATP este prescurtarea de la „adenozin trifosfat”.
Este o moleculă organică utilizată de celule ca sursă primară de energie pentru a alimenta reacțiile chimice din organism.
Există enzime specializate care ajută la descompunerea alimentelor organice în celule.
După ce acestea sunt transportate în celule, acestea pot fi utilizate fie ca materiale de construcție pentru proteine ​​și lipide, fie sunt supuse unor procese metabolice pentru a produce ATP pentru celulă.
ATP este un transportator comun de energie în celulă, format din adenozin difosfat (ADP) și fosfat anorganic (P _i).
Energia necesară pentru legarea moleculei de fosfat terminal la ATP provine din descompunerea zaharurilor.
Eliberarea acestei energii prin hidroliza fosfatului terminal, prin intermediul apei, alimentează o serie de reacții de absorbție a energiei esențiale în celulă.

Hidroliza

Hidroliza ATP poate fi explicată astfel: atunci când o moleculă de apă este adăugată la molecula de ATP, aceasta se descompune în adenozin difosfat (ADP), un grup fosfat anorganic (P _i) și energie.
Această reacție eliberează energia stocată în legătura de fosfat terminal a moleculei de ATP, care poate fi utilizată de celula pentru a susține o varietate de procese metabolice importante.
Hidroliza poate fi rezumată după cum urmează:

• ATP + H ₂ O → ADP + P _i + E.
• Adenozin Trifosfat = ATP
• Apa = H ₂ O
• Adenozin Difosfat = ADP
• Energie = E
• Fosfat Anorganic = P _i

Formarea ATP

În sinteza ATP, este necesară adăugarea de energie, în contrapartidă cu procesul de hidroliză.
Sinteza ATP începe cu glicoliza, care reprezintă o formă de fermentație ce transformă glucoza în alte zaharuri într-o serie de nouă reacții enzimatice.
Fiecare reacție succesivă implică un zahăr intermediar conținând fosfat.
În urma acestui proces, glucoza cu șase atomi de carbon se transformă în două molecule de acid piruvic cu trei atomi de carbon.
Formarea a două molecule de ATP are loc pe parcursul acestui proces, o parte din energia eliberată prin glicoliză fiind captată.

Ciclul Acidului Tricarboxilic In Metabolismul Celulei

A doua fază a procesului metabolic al zaharurilor este un set de reacții interdependente cunoscute sub numele de ciclul Krebs sau ciclul acidului tricarboxilic.
Acest ciclu utilizează acidul piruvic cu trei atomi de carbon produs în glicoliză pentru a produce dioxid de carbon (CO ₂) și transferă atomii de hidrogen ai moleculelor rezultate către molecule speciale purtătoare de energie, unde sunt stocați într-o legătură chimică cu energie ridicată.

Fosforilare Oxidativă

În ultima fază a procesului de descompunere a zaharurilor, numită fosforilare oxidativă, atomii de hidrogen cu energie ridicată sunt mai întâi separați în protoni și electroni.
Apoi, electronii sunt transferați de la un purtător de electroni la altul prin intermediul unei lanțuri de transport de electroni.
Fiecare purtător de electroni din lanț are o afinitate tot mai mare pentru electroni, iar acceptorul final de electroni este oxigenul molecular (O ₂).
Atomii de hidrogen, ca electroni și protoni separați, sunt transferați la O ₂ pentru a forma apă.
Această reacție eliberează o cantitate mare de energie, care este utilizată pentru a sintetiza un număr mare de molecule de ATP din ADP și P _i.

Marea majoritate a ATP-ului din celula este produsă prin oxidarea completă a produselor glicolizei într-o combinație între ciclul acidului tricarboxilic și fosforilarea oxidativă.
În comparație, cantități relativ mici de ATP sunt produse prin procesul de glicoliză, care este o reacție anaerobă ce poate avea loc fără oxigen.
Pe de altă parte, ciclul acidului tricarboxilic și fosforilarea oxidativă necesită oxigen pentru a avea loc.
Glicoliza formează baza fermentației anaerobe și, probabil, a fost o sursă importantă de ATP pentru viața timpurie de pe Pământ, când oxigenul era limitat în atmosferă.
În cele din urmă, au evoluat bacterii capabile să efectueze fotosinteza.
Această abilitate a eliberat bacteriile de dependența de materiale organice și a eliberat oxigen în atmosferă.
De-a lungul timpului, concentrația de oxigen a crescut până când a devenit disponibil în atmosferă.
Mai târziu, a evoluat ciclul aerob al acidului tricarboxilic și fosforilarea oxidativă.
Celulele aerobe rezultate au fost mult mai eficiente în utilizarea alimentelor, deoarece au fost capabile să convertească cantități mai mari de energie de legătură chimică în ATP decât strămoșii lor anaerobi.

Codificarea Si Informația Genetică A Celulelor

Celulele sunt o rețea de macromolecule catalitice care se auto-replică și realizează conversii de energie pentru a conduce biosinteza și mișcarea celulelor.
Cu toate acestea, energia nu este suficientă pentru a susține auto-reproducția; celula trebuie să conțină instrucțiuni precise care să controleze modul de utilizare a acestei energii.
Aceste instrucțiuni sunt similare cu planurile unui constructor pentru construcția unei case.
În cazul celulelor, aceste planuri trebuie să fie duplicate împreună cu celula înainte de diviziunea celulară, astfel încât fiecare celulă fiică să aibă instrucțiunile necesare pentru a se replica.
Aceste instrucțiuni reprezintă ereditatea celulei.

ADN – Baza Informațională A Vieții

La începutul secolului al XIX-lea, a devenit bine cunoscut faptul că toate organismele vii sunt formate din celule care provin numai din creșterea și diviziunea altor celule.
Îmbunătățirea microscoapelor a dus la o perioadă în care mulți biologi au studiat cu atenție structura microscopica a celulelor.
Pana prin anul 1885, existau dovezi indirecte semnificative care sugerau că cromozomii – fire întunecate de culoare din nucleul celulei – transportă informații pentru ereditatea celulară.
A devenit mai târziu evident că cromozomii sunt aproximativ jumătate ADN și jumătate proteină în greutate.
În 1953, James Watson, un genetician și biofizician american, împreună cu Francis Crick, un biofizician britanic, au prezentat un model revoluționar pentru structura moleculei de ADN dublu catenar (numită și dublu helix).
Modelul sugerează că moleculele de ADN ar putea oferi informații pentru propria lor replicare.
Conform modelului lor, fiecare catenă a moleculei de ADN servește ca un șablon pentru a crea o catenă complementară.
Cercetările ulterioare au confirmat modelul Watson și Crick și au demonstrat că ADN-ul conține informații genetice esențiale pentru reproducerea întregii celule.
La început, oamenii de știință credeau că toată informația genetică se găsește în ADN-ul aflat în cromozomii din nucleul celulei.
Însă, descoperirile ulterioare au arătat că există și alte cantități mici de informații genetice prezente în cromozomii organitelor situate în citoplasmă.
Aceste organite includ mitocondriile din celulele animale și mitocondriile și cloroplastele din celulele vegetale.
Cromozomii acestor organite poartă informații care codifică pentru un număr limitat de proteine și molecule de ARN necesare funcționării lor.
Aceste descoperiri au oferit și informații despre originea evolutivă a acestor organite, sugestionează că acestea ar fi fost, de fapt, bacterii cu viață liberă care au fost asimilate de alte organisme în procesul de simbioză.

Procesul De Replicare A ARN-ului: Cum Se Produce O Copie Din ADN

Există posibilitatea ca ARN-ul să se poată replica prin mecanisme similare cu cele utilizate de ADN, chiar dacă are o structură diferită, fiind monocatenară în loc de dublu catenară.
La începutul vieții, se crede că ARN-ul s-a replicat în acest fel.
Cu toate acestea, în celulele actuale, toate moleculele de ARN sunt sintetizate prin intermediul unor enzime speciale, care folosesc o catenă a helixului ADN ca șablon pentru a construi un lanț de ARN monocatenar.
Chiar dacă aceste molecule de ARN sunt produse în nucleul celulei, acolo unde se află ADN-ul, majoritatea lor sunt transportate în citoplasmă, unde își îndeplinesc funcțiile specifice.
Moleculele de ARN îndeplinesc două roluri importante în celule.
Unul dintre ele este reprezentat de ribozime, care se pot plia în diferite moduri pentru a acționa ca catalizatori în anumite reacții chimice.
Celălalt rol este acela de „ARN mesager”, care furnizează șabloane utilizate pentru sinteza proteinelor.
Ribozomii sunt niște mașini mici de sinteză proteică situate în citoplasmă, care citesc moleculele de ARN mesager și le traduc în proteine folosind codul genetic.
În timpul acestui proces de traducere, secvența de nucleotide din lanțul de ARN mesager este decodificată în grupuri de trei nucleotide numite codoni, care specifică un anumit aminoacid.
Astfel, o secvență de nucleotide din ADN poate specifica o proteină doar dacă o moleculă de ARN mesager este produsă din acea secvență de ADN.
Fiecare regiune din secvența de ADN care specifică o proteină prin intermediul ARN-ului mesager este numită genă.
Prin intermediul mecanismelor descrise anterior, moleculele de ADN nu doar se duplică pe ele însele, ci dictează și structurile tuturor proteinelor din organism.
O singură celulă umană produce aproximativ 10.000 de proteine diferite, care sunt generate prin expresia a 10.000 de gene unice.
Se crede că un set de cromozomi umani conține suficiente informații pentru a produce între 30.000 și 100.000 de proteine, dar majoritatea acestora sunt produse doar în celule specializate și nu sunt prezente în întregul organism.

Organizarea Celulelor: Intracelulare Si Intercelulare

Organizarea celulelor se realizează prin intermediul mai multor mecanisme și procese celulare care își au originea în informația genetică conținută în ADN-ul celular.
Aceste mecanisme asigură organizarea internă a componentelor celulare și funcționarea optimă a celulei în ansamblu.
Unul dintre mecanismele majore este diviziunea celulară, care asigură creșterea și reproducerea celulelor.
În timpul diviziunii celulare, toate componentele celulare, inclusiv ADN-ul, proteinele, organitele și alte molecule, sunt distribuite în mod corespunzător între cele două celule fiice.
Un alt mecanism important este sinteza proteinelor, care se realizează prin intermediul informației genetice stocate în ADN și transmisă prin intermediul ARN-ului.
Proteinele sunt esențiale pentru structura și funcționarea celulei, iar organitele specializate, cum ar fi ribozomii și aparatul Golgi, asigură producția, procesarea și distribuția acestora.
În plus, există mecanisme și organele celulare specializate pentru stocarea, degradarea și reciclarea moleculelor celulare, precum și pentru menținerea unui mediu intern constant și echilibrat, prin reglarea compoziției chimice și a pH-ului celular.
Toate aceste mecanisme și procese sunt susținute de producerea constantă de energie prin intermediul resurselor celulare, cum ar fi mitocondriile și cloroplastele.
În ansamblu, aceste procese asigură organizarea complexă și funcționarea eficientă a celulei.

Comunicarea Intracelulară

O celulă conține multe molecule diferite, cum ar fi ADN, ARN și proteine, care o fac diferită de o simplă eprubetă cu aceleași componente.
Atunci când o celulă este pusă într-o eprubetă, mii de molecule diferite se amestecă aleatoriu.
Cu toate acestea, într-o celulă vie, aceste componente sunt organizate în locuri specifice, ceea ce este esențial pentru creșterea și diviziunea celulelor.
Pentru a menține această organizare, este necesar un aport continuu de energie, deoarece reacțiile chimice spontane cauzează întotdeauna dezorganizare.
Așadar, o mare parte din energia produsă prin hidroliza ATP este utilizată pentru a organiza macromoleculele în interiorul celulei.
Când este observată la o mărire mare într-un microscop electronic, o celulă eucariotă este formată din organe specifice legate de membrană care împart interiorul în subcompartimente.
Chiar dacă nu este vizibilă la microscopul electronic, se știe din teste biochimice că fiecare organelă conține un set diferit de macromolecule, ceea ce reflectă funcția specializată a fiecărui compartiment.
De exemplu, mitocondriile, care produc majoritatea ATP-ului celular, conțin enzimele necesare pentru ciclul acidului tricarboxilic și fosforilarea oxidativă.
De asemenea, enzimele degradative pentru digestia macromoleculelor nedorite sunt limitate la lizozomi.
Datorită specializării diferitelor organele din interiorul celulei, este necesar ca multe proteine specifice codificate de genele din nucleu să fie transportate în compartimentele celulare corespunzătoare, unde vor fi utilizate.
Pentru a menține ordinea intracelulară, celula are un sistem complex de membrană, care îndeplinește funcția unui birou poștal prin care sunt dirijate corect macromoleculele nou sintetizate spre destinațiile lor corespunzătoare.
Toate proteinele sunt create în ribozomi care sunt localizați în citosol.
După ce o parte a secvenței de aminoacizi iese din ribozom, aceasta este verificată pentru prezența unei secvențe scurte de semnal numită „secvență semnal pentru reticulul endoplasmic (ER)”.
Ribozomii care produc proteine cu această secvență sunt transportați la suprafața membranei ER, unde aceștia își termină sinteza.
Proteinele realizate de acești ribozomi sunt imediat transferate prin membrana ER în interiorul compartimentului ER.
Proteinele care nu au secvența semnal ER rămân în citosol și sunt eliberate din ribozomi când sinteza lor este finalizată.
Acest proces decide plasarea proteinelor finalizate în citosol sau într-un compartiment delimitat de membrană în citoplasmă, reprezentând primul pas în sortarea proteinelor intracelulare.
Proteinele sunt sortate în continuare în funcție de semnale suplimentare pe care le conțin, după ce sunt sintetizate în ambele compartimente ale celulei.
Unele proteine rămân în citosol, în timp ce altele sunt transportate prin membrane la suprafața mitocondriilor sau a cloroplastelor în celulele vegetale.
Semnalele de pe aceste proteine indică locul exact din organelă unde aparțin.
Proteinele sortate în ER au mai multe destinații.
Unele rămân în ER și funcționează ca parte a organelor, iar cele mai multe intră în vezicule de transport și trec prin Aparatul Golgi, care are cel puțin trei subcompartimente separate de membrane.
Unele proteine rămân în subcompartimentele Golgi pentru funcții specifice, iar altele sunt transportate în vezicule către alte destinații din celulă, cum ar fi membrana celulară, lizozomi sau vezicule secretoare speciale.

Comunicarea Intercelulară

Procesul de creare a unui organism multicelular începe cu un grup mic de celule asemănătoare într-un embrion și continuă prin diviziune și specializare celulară continuă pentru a forma o comunitate întreagă de celule care lucrează împreună, fiecare având propriul său rol în organism.
Prin această cooperare, organismul devine mult mai complex decât fiecare parte individuală a sa luată separat.
Un ou fecundat se dezvoltă și se înmulțește pentru a forma o întreagă familie de celule fiice, fiecare având propriile caracteristici și funcții în organism.
Deși toate celulele fiice conțin aceeași informație genetică, ele sunt diferite în funcție de tipul lor și de genele pe care le exprimă.
Astfel, aceste celule identice au roluri și structuri diferite, deoarece au moștenit informații genetice distincte de la strămoșii lor embriologici.
În timpul dezvoltării embrionare, nu este suficient să se creeze doar toate tipurile de celule care se găsesc la un organism adult complet format.
Fiecare tip de celulă trebuie să se dezvolte la momentul potrivit și în proporția corectă la locul potrivit, altfel, ar exista o amestecătură de celule disparate care nu ar produce un organism coerent.
Procesul care asigură dezvoltarea ordonată a organismului se numește determinare celulară și constă în angajarea celulelor identice inițial în căi diferite de dezvoltare.
Detectarea diferitelor substanțe chimice în regiuni diferite ale embrionului joacă un rol fundamental în determinarea celulelor.
Aceste semnale chimice activează un set specific de gene în fiecare celulă, care le spun celulelor să se diferențieze în moduri adecvate pentru poziția lor în embrion.
Sistemul elaborat de comunicare între celule în embrionii timpurii este crucial pentru procesul de determinare a celulelor.

Membrana Celulei

Fiecare celulă vie este înconjurată de o membrană subțire numită membrana celulară sau membrana plasmatică, care are în general între 4 și 10 nanometri (nm) în grosime.
Această membrană delimitează celula de mediul înconjurător și este formată din molecule mari și solubile în apă, cum ar fi proteinele, acizii nucleici și carbohidrații, precum și alte substanțe importante pentru metabolismul celular.
În afară celulei, în mediul înconjurător bazat pe apă, se găsesc substanțe toxice pentru celulă, precum ioni, acizi și alcalii, dar și nutrienți necesari pentru creștere și supraviețuire.
Membrana celulară are două roluri importante: de a fi o barieră care menține constituenții celulei în interior și substanțele nedorite în afară, și de a permite transferul de nutrienți esențiali în interiorul celulei și eliminarea deșeurilor produse.

Compoziția Chimică și Structura Membranei

Potrivit celor mai recente cercetari, cunostintele despre componentele biochimice ale membranelor celulare au fost obtinute initial prin studiul globulelor rosii.
Avantajul principal al acestor celule in experimente este faptul ca pot fi usor obtinute in cantitati mari si nu au organe interne membranoase care ar putea interfera cu studiul membranelor lor celulare.
Studiile atente ale acestor si altor tipuri de celule au demonstrat ca toate membranele sunt formate din proteine si lipide bazate pe acizi grasi.
Membranele implicate activ in metabolism contin o proportie mai mare de proteine.
De exemplu, membrana mitocondriala, care este cel mai rapid organel al celulei care se metabolizeaza, contine pana la 75% proteine, in timp ce membrana celulei Schwann, care formeaza un strat izolator in jurul multor celule nervoase, contine pana la 20% proteine.

Lipidele Membranare

Lipidele care alcătuiesc membrana celulară sunt în mare parte de două tipuri: fosfolipide și steroli, în special colesterolul.
Ambele tipuri de lipide au proprietatea de a se dizolva în solvenți organici și de a avea o regiune care este atrasă și solubilă în apă.
Această proprietate este crucială pentru rolul lipidelor în formarea membranelor celulare.
Moleculele de fosfolipide au un cap format adesea din glicerol, de care sunt atașate două lanțuri lungi de acizi grași care arată ca niște cozi.
Aceste cozi sunt hidrofobe și se dizolvă ușor în solvenți organici, ceea ce face moleculele să fie lipofile.
Capul moleculei conține un grup fosforil cu sarcină electrică negativă, iar acest grup este legat de un alt grup cu sarcină pozitivă sau neutră, care se dizolvă în apă, astfel încât molecula are proprietăți amfifile.
În schimb, sterolii au o structură complexă de inele de hidrocarburi care se dizolvă în lipide și o grupare hidroxil care se dizolvă în apă.
Atunci când se adaugă fosfolipide uscate sau o combinație de fosfolipide și colesterol în apă în condiții de laborator, acestea formează spontan structuri sferice numite lipozomi.
Analiza lipozomilor arată că aceștia sunt alcătuiți din sfere concentrice, fiecare sferă formând jumătate dintr-un perete dublu.
Peretele dublu este format din două foi de molecule de fosfolipide cu toate moleculele fiecărei foi aliniate în aceeași direcție.
Într-un mediu acvatic, fosfolipidele celor două foi se aliniază astfel încât cozile lor hidrofobe, solubile în lipide, să fie îndreptate către mijloc și legate cu ușurință de cozile moleculelor de pe cealaltă foaie.
Capetele solubile în apă se îndreaptă către exterior, fiind atrași chimic de apa din mediul înconjurător.
Astfel, cele două foi formează o structură fluidă, asemănătoare cu un sandwich, cu lanțurile de acizi grași din mijloc amestecându-se într-un mediu organic în timp ce etanșează mediul acvatic.
Acest tip de strat dublu lipidic, format prin auto-asamblarea moleculelor lipidice, este structura de bază a membranei celulare .
Este cea mai stabilă structură termodinamică pe care o poate prelua un amestec fosfolipide-apă: porțiunea de acid gras a fiecărei molecule dizolvată în faza organică formată din regiunile identice ale celorlalte molecule și regiunile atractive pentru apă, înconjurate de apă și îndreptate spre o parte. din regiunile acizilor grași.
Afinitatea chimică a fiecărei regiuni a moleculei amfifile este astfel satisfăcută în structura cu două straturi.

Proteinele Membranare

Proteinele din membrana celulară sunt clasificate în două tipuri generale.

Proteine Extrinseci

Primul tip, numit proteine extrinseci, este legat slab la suprafața fosforil încărcată electric a dublului strat fosfolipidic prin legături ionice sau punți de calciu.
Ele se pot lega și de cel de-al doilea tip de proteină, numit proteine intrinseci.

Proteine Intrinseci

Proteinele intrinseci sunt numite așa pentru că sunt ferm încorporate în stratul dublu fosfolipidic.
Aproape toate proteinele intrinseci conțin secvențe speciale de aminoacizi, care de obicei au între 20 și 24 de aminoacizi, și se extind prin regiunile interne ale membranei celulare.
Pe suprafețele exterioare ale majorității proteinelor intrinseci și extrinseci se găsesc lanțuri laterale de zaharuri complexe, care se extind în mediul apos din jurul celulei.
Aceste proteine sunt numite glicoproteine și unele dintre ele joacă un rol important în recunoașterea celulelor între ele, cum ar fi în Matricea celulară și comunicarea celulă la celulă.

Fluiditatea Membranei

În anii ’60 și ’70, biologia celulară a descoperit că membrana celulară este formată dintr-o colecție fluidă de molecule amfifile, inclusiv proteine, steroli și fosfolipide, organizate într-un cristal lichid.
Această structură fluidă facilitează creșterea rapidă a celulelor.
Membrana celulară are o vâscozitate de aproximativ 100 de ori mai mare decât apa și este similară unui ulei subțire.
Moleculele de fosfolipide se difuzează ușor în planul stratului dublu, la fel cum unele proteine membranei se mișcă liber, în timp ce altele sunt fixate de citoscheletul celulei.
Fosfolipidele noi sunt ușor integrate în membrana celulară existentă, în timp ce proteinele intrinseci sunt inserate în timpul sintezei lor pe ribozomi atașați la reticulul endoplasmatic.
Proteinele extrinseci găsite pe suprafața internă a membranei celulare sunt sintetizate pe ribozomi liberi, apoi eliberate în citoplasmă și aduse la membrană.
Membrana celulară este acoperită și de lanțuri laterale de zaharuri complexe, astfel încât proteinele membranei sunt denumite adesea glicoproteine și pot fi implicate în recunoașterea celulelor între ele.

Transportul Membranar

Membrana celulară este flexibilă datorită structurii chimice, ceea ce permite celulelor să se dezvolte și să se dividă rapid.
Cu toate acestea, membrana reprezintă o barieră importantă care permite unor substanțe să treacă, dar blochează altele.
Moleculele solubile în lipide și unele molecule mici pot pătrunde în membrană, dar moleculele mari, solubile în apă și ionii încărcați electric sunt blocate.
Proteinele intrinseci din membrană au rolul de a transporta aceste substanțe vitale.
Unele proteine sunt canale deschise pentru ionii care trec direct prin membrană, altele ajută substanțele dizolvate să treacă peste stratul lipidic și altele forțează substanțele să treacă prin membrană.
Dacă particulele sunt prea mari, ele pot fi înghițite de membrană.

Difuzia

Mecanismul prin care substanțele se mișcă prin membrana celulară se numește difuzie.
Conform acestui principiu, o substanță se va deplasa dintr-un loc cu concentrație mare către un loc cu concentrație mai mică fără a avea nevoie de energie din surse externe.
Difuzia continuă până când concentrația substanței este egală în ambele locuri, ceea ce se numește echilibru, iar deplasarea se face în mod aleatoriu în ambele direcții, către concentrații mai mari sau mai mici.
In cuvinte mai simple, cand o substanta dizolvata are o concentratie mare, are mai multa energie disponibila pentru a efectua „munca” de difuzie.
Pe masura ce difuzeaza catre o concentratie mai scazuta, isi pierde energia si nu poate sa se intoarca la concentratia anterioara fara sa primeasca energie dintr-o sursa externa.
Prin adaugarea de energie dintr-o sursa externa, cum ar fi o pompa ionica, substanta poate fi readusa la concentratia anterioara si la nivelul ridicat de energie.
Acest proces de transfer de energie se numeste „cuplare” si permite substantei sa continue sa difuzeze.
Pentru multe substanțe de interes biologic, concentrațiile din interiorul și din exteriorul celulei sunt diferite, ceea ce determină o diferență de concentrație între cele două zone și un gradient de concentrație.
Aceste substanțe difuzează prin membrana celulară numai dacă sunt capabile să treacă prin stratul lipidic.
Canalele de membrană și facilitatorii de difuzie permit trecerea acestor substanțe prin membrană prin transport pasiv, adică modificările făcute de proteine pentru a facilita difuzia sunt alimentate de substanțele dizolvate în sine.
Pentru ca celula să funcționeze sănătos, unele substanțe dizolvate trebuie să rămână la concentrații diferite în interior și în exteriorul celulei.
Dacă substanțele aproape că ajung la echilibru prin difuzie, trebuie pompate înapoi la concentrațiile lor inițiale prin procesul de transport activ.
Proteinele de membrană care acționează ca pompe efectuează acest lucru prin cuplarea energiei necesare transportului cu energia produsă de metabolismul celular sau de difuzia altor substanțe dizolvate.

Permeabilitate Membranei Celulare

Permeabilitatea se referă la capacitatea unei substanțe de a trece prin membrana celulară.
Această capacitate variază în funcție de tipul de substanță și de compoziția membranei.
De exemplu, proteinele și polimerii de zahăr nu pot traversa membrana, în timp ce apa și alcoolii o fac cu ușurință în mai puțin de o secundă.
Această variație în permabilitate este dată de structura de tip strat dublu lipidic a membranei.
Viteza cu care o substanță traversează membrana este utilizată pentru a măsura permeabilitatea acesteia.
Pe scurt, permeabilitatea unei membrane celulare depinde de capacitatea moleculelor de a se dizolva în solvenți organici, ceea ce este măsurat prin coeficientul de partiție.
Membranele sunt mai permeabile la moleculele care au un coeficient de partiție mai mare și care se dizolvă mai bine în lipide decât în apă.
Substanțele solubile în apă, cum ar fi grupurile hidroxil, carboxil și amino, tind să aibă coeficienți de partiție scăzuti și, prin urmare, sunt mai greu de pătruns în membrane.
În schimb, moleculele solubile în lipide, cum ar fi grupările metil și inelele de hidrocarburi, sunt permeabile la membranele celulare.
Această proprietate poate fi exploatată în dezvoltarea de medicamente.
Pentru a traversa o membrană celulară, moleculele trebuie să aibă un coeficient de partiție adecvat și să fie de dimensiuni suficient de mici.
Deși aceste două factori sunt importante, dimensiunea moleculei are o influență mai mare decât coeficientul de partiție asupra vitezei de difuzie a acesteia prin membrană.
De exemplu, chiar și moleculele cu coeficienți de partiție mici, cum ar fi apa, pot pătrunde în membrana celulară din cauza dimensiunii lor mici.
Această selectivitate dimensională a membranei este datorată faptului că stratul dublu lipidic nu este un simplu lichid, ci o structură organizată care trebuie să permită trecerea moleculelor prin intermediul lanțurilor de acizi grași ale fosfolipidelor.
Există multe substanțe care nu pot trece prin membrana celulară prin penetrarea stratului dublu lipidic.
De exemplu, ioni încărcați electric sunt respinși de solvenții organici și nu pot trece ușor prin membranele celulare.
În astfel de cazuri, membranele celulare au canale speciale care permit anumitor ioni și molecule mici să difuzeze direct prin stratul dublu.
Aceste canale sunt numite găuri și permit trecerea selectivă a substanțelor prin membrană.

Canale Membranei Celulare

Cercetătorii care măsoară activitatea electrică a membranei celulare au descoperit că aceasta are o conductivitate mult mai mare decât cea a unui strat dublu de fosfolipide și steroli.
Această conductivitate mai mare este dată de proteinele prezente în membrana celulară.
Activitatea electrică a membranei poate fi măsurată ca o serie de explozii de diferite înălțimi, care reprezintă curentul electric care trece prin canalele deschise formate de proteine ​​care străpung stratul dublu de lipide.
Când nu există canale deschise, nu există curent electric semnificativ care să treacă prin membrană. Cu cât mai multe canale sunt deschise, cu atât mai multe explozii de curent electric sunt înregistrate.
Canalele sunt proteine intrinseci care se găsesc în membranele celulare și permit trecerea specifică a moleculelor.
Acestea au o structură formată din secvențe de aminoacizi care formează o gaură sau un por în membrană. Unele canale se deschid și se închid spontan, în timp ce altele sunt controlate de semnale chimice sau modificări ale potențialului electric al membranei.
Aceste canale pot fi foarte specifice, permițând trecerea doar a unui singur tip de ion sau largi, permițând trecerea tuturor ionilor încărcați pozitiv sau negativ.
Există, de asemenea, joncțiuni gap care permit trecerea moleculelor între celule.
Aceste canale joacă un rol important în comunicarea celulară și au fost izolate și analizate în diverse tipuri de membrane celulare.
Pentru a înțelege comportamentul nervos, trebuie să înțelegem cum funcționează canalele ionic.
Acestea permit ionilor să treacă prin membranele celulare și creează o diferență de potențial electric peste membrană.
Canalele au specificități ionice diferite și sunt controlate de semnale chimice sau modificări de potențial electric.
Membrana celulară conține o varietate de canale, fiecare contribuind la potențialul electric global al membranei.
Canalele pot fi închise sau deschise, iar potențialul membranei depinde de care canale sunt deschise.
Acesta poate fi modificat în timp în funcție de semnalele chimice și potențialul membranei.
In majoritatea celulelor, concentrația ionilor de sodiu este de aproximativ zece ori mai mare in exteriorul celulei decat in interior, in timp ce concentrația ionilor de potasiu este inversa.
Concentrația ionilor de calciu liberi poate fi de 10.000 de ori mai mare in exteriorul celulei decat in interior.
Canalele membranare selective pentru sodiu, potasiu si calciu permit difuzarea acestor ioni peste membrana celulara, provocand fluctuatii ale potențialului electric al membranei, astfel servind ca transmițători de semnale de la celulele nervoase.
Difuzia ionica poate perturba concentratia ionilor necesari functionarii celulei.
Pentru a restabili distribuția corecta a ionilor, sunt implicate pompele ionice.

Difuziunea facilitată

Există molecule solubile în apă, cum ar fi zaharurile și aminoacizii, care sunt prea mari pentru a trece prin canalele deschise ale membranei celulare.
În plus, unii ioni nu pot difuza prin canale.
Pentru a intra și ieși din celulă, aceste substanțe folosesc transportatorii membranari, proteine ​​intrinseci care traversează membrana celulară.
Transportatorii membranari nu creează pur și simplu găuri în membrană, ci au locuri specifice pe o parte a membranei la care moleculele se leagă prin atracție chimică.
Aceste locuri de legare sunt foarte specifice și se potrivesc adesea cu structura atomică a unui singur tip de moleculă.
După ce molecula s-a atașat la locul de legare, transportatorul o aduce prin membrană și o eliberează pe cealaltă parte, într-un proces care încă nu este pe deplin înțeles.
Această metodă de transport a moleculelor este considerată un tip de difuzie, deoarece moleculele transportate se deplasează prin membrana celulară de la o concentrație mai mare la una mai mică, pe gradienții lor de concentrație.
Pentru a activa transportorul, este necesară doar energia generată de legarea chimică a moleculelor transportate.
Această acțiune asupra transportorului este asemănătoare catalizei, cu excepția faptului că substraturile, cum ar fi glucoza și ionul bicarbonat, catalizează propriul proces de translocare prin membrana celulară, și nu o reacție chimică.

Transportorii De Glucoză – Glucotrasportatorii

Prin intermediul acestui sistem specific de transport al zaharului, aproximativ jumătate din glucoza prezentă în interiorul celulei poate fi eliminată în doar patru secunde la temperatura corpului normală.
Transportorul de glucoză nu este simplu un canal din membrană, deoarece nu selectează moleculele în funcție de dimensiune.
De exemplu, un tip de glucoză se mișcă prin acest sistem cu o mie de ori mai mult decât izomerul său optic de dimensiuni identice.
De asemenea, funcționează mult mai lent decât majoritatea canalelor, transportând doar 1.000 de molecule pe secundă, în timp ce un canal poate transporta 1.000.000 de ioni.
Cel mai important aspect al diferenței dintre un canal de membrană și un transportor de glucoză este modul în care se schimbă conformația transportorului în timp ce mută glucoza prin membrană.
În timp ce alternează între două conformații, transportorul își mută locul de legare a glucozei de pe o parte a membranei pe cealaltă, facilitând astfel difuzia glucozei prin membrana celulară, adică permitând glucozei să treacă prin membrana celulară fără să întâmpine bariera acesteia.
Când concentrația ajunge la echilibru, mișcarea netă a glucozei se oprește.
Multe celule utilizează un sistem de difuzie facilitată pentru a transporta glucoză.
De asemenea, există și alte sisteme similare care permit transportul altor tipuri de substraturi, cum ar fi diferite zaharuri, aminoacizi, nucleozide și ioni, în interiorul celulelor.

Transportorii De Anioni

Unul dintre cele mai bine cercetate sisteme de difuzie facilitată este cel care ajută la schimbul de anioni prin membrana celulelor roșii din sânge.
Acest schimb implică mutarea ionică a ionului de bicarbonat în schimbul hidroxilului, iar aceasta are loc în direcții opuse de către aceeași moleculă de transport.
Această acțiune este importantă pentru creșterea capacității sângelui de a transporta dioxid de carbon din țesuturi la plămâni.
Proteina majoră intrinsecă a celulelor roșii din sânge este molecula de transport pentru acești anioni.
Fiecare celulă conține un milion de astfel de molecule, iar lanțul polipeptidic al fiecăreia dintre ele trece prin membrana celulară de cel puțin șase ori.

Transportor Activ Secundar

În anumite situații, transportul unui substrat împotriva gradientului său de concentrație poate fi realizat prin cuplarea mișcării sale cu fluxul deplasării în jos a altui substrat.
În acest mod, mișcarea energo-consumatoare a substratului care îl antrenează furnizează energia necesară pentru absorbția substratului antrenat de la o concentrație scăzută la una ridicată.
Acest tip de transport activ nu utilizează energia metabolică directă și este numit secundar.
Există două forme de transport activ secundar: contratransportul, unde cele două substraturi sunt transportate prin membrană în direcții opuse, și cotransportul, unde acestea sunt transportate în aceeași direcție.

Contratransport

Un sistem numit „antiport” implică transportul de zahăr și este descris în textul anterior.
La început, concentrația de glucoză este aceeași pe ambele părți ale membranei celulare.
Apoi, este adăugată o concentrație mare de galactoză în afara celulei.
Galactoza și glucoza concurează pentru a se lega de proteina de transport.
În final, cea mai mare parte a galactozei, și o cantitate mică de glucoză, pătrunde în celulă.
Proteina de transport se schimbă conformațional și își prezintă locurile de legare pentru zahăr la fața interioară a membranei.
Aici, glucoza este mai abundentă decât galactoza, se leagă de proteina de transport și iese din celulă, iar transportorul revine la forma sa originală.
În acest fel, glucoza este pompată din celulă împotriva gradientului său, în timp ce galactoza pătrunde în celulă pe propriul său gradient.
În corp, există mai multe sisteme de contra-transport care operează prin membranele celulare.
Unul dintre acestea, bine studiat, este prezent în celulele roșii din sânge, celulele nervoase și celulele musculare, și are rolul de a pompa un ion de calciu din celulă în schimbul a două sau trei ioni de sodiu.
Acest sistem ajută la menținerea unei concentrații scăzute de calciu, care este necesară pentru o activitate celulară eficientă.
Există și un alt sistem, prezent în celulele renale, care contratransportă ionii de hidrogen și ionii de sodiu într-un raport unu-la-unu, având un rol important în stabilizarea acidității prin transportul ionilor de hidrogen în afara corpului, atunci când este necesar.

Contransport

În mecanismul de cotransport (numit și simport), două tipuri de substanțe, de obicei un ion și o altă moleculă, trebuie să se lege simultan de un transportor pentru a determina schimbarea conformațională.
Pe măsură ce substratul care duce este transportat în josul gradientului său de concentrație, acesta trage după el substratul adus, care este obligat să se deplaseze în sus pe gradientul său de concentrație.
Transportorul trebuie să poată suferi o schimbare conformațională când nu este legat de nicio substanță, astfel încât să poată finaliza ciclul și să returneze locurile de legare pe partea din care se deplasează atât substratul antrenat, cât și cel adus.
Sistemele de cotransport ale celulelor animale utilizează de obicei ionii de sodiu ca substraturi motori pentru a menține concentrații ridicate ale acestor ioni prin transportul activ primar.
Aceste sisteme conduc o varietate de substanțe, inclusiv zaharuri, aminoacizi și alți ioni.
În timpul absorbției nutrienților, zaharurile și aminoacizii sunt preluați din intestin prin co-transport cu ionii de sodiu, iar aceste substanțe sunt returnate în organism prin același sistem după ce trec prin filtrul glomerular al rinichilor.
În schimb, celulele vegetale și bacteriene utilizează de obicei ionii de hidrogen ca substrat de conducere, în timp ce zaharurile și aminoacizii sunt cele mai comune substanțe conduse.
De exemplu, atunci când bacteria Escherichia coli trebuie să metabolizeze lactoza, aceasta o co-transportă cu ionii de hidrogen (care pot atinge o concentrație de 1.000 de ori mai mare decât cea din afara celulei).

Transport Activ Primar

În globulele roșii umane din sânge există o cantitate mare de potasiu și o cantitate mică de sodiu, însă în plasma care le înconjoară există o cantitate mare de sodiu și o cantitate mică de potasiu.
Atunci când sângele este refrigerat și depozitat în laborator, celulele pierd potasiu și câștigă sodiu până când concentrațiile celor doi ioni sunt la același nivel pe ambele părți ale membranei celulare.
Când celulele sunt readuse la temperatura corpului și li se oferă nutriție adecvată, ele extrud sodiul și preiau potasiul, transportând ambii ioni împotriva gradienților lor de concentrație până când concentrațiile mari anterioare sunt atinse.
Această pompare ionică necesită hidroliza adenosinei trifosfat (ATP), care este sursa principală de energie metabolică a celulei.
Pentru fiecare moleculă de ATP divizată, trei ioni de sodiu sunt pompați din celulă și doi de potasiu sunt pompați în celulă.
Exista o enzima numita ATPaza activata de sodiu-potasiu, care este responsabila de pomparea ionilor prin membrana celulara prin divizarea ATP-ului.
Aceasta enzima este prezenta in mod larg in regnul animal si este intotdeauna asociata cu membrana celulara.
Se gaseste in cantitati mari in celulele care pompeaza cantitati mari de sodiu, cum ar fi rinichii mamiferelor, glandele secretoare de sare ale pasarilor marine si organele electrice ale anghilelor.
Aceasta enzima exista in doua conformari majore, care se interconverseaza in functie de divizarea ATP-ului sau de modificari ale fluxurilor transmembranare de sodiu si potasiu.
Cand celula contine doar sodiu, fosfatul anorganic divizat de ATP in timpul hidrolizei este transferat catre enzima.
Eliberarea fosfatului legat chimic din enzima este catalizata de potasiu.
Astfel, divizarea ATP-ului necesita atat sodiu (pentru a cataliza transferul fosfatului catre enzima) cat si potasiu (pentru a cataliza eliberarea fosfatului si a elibera enzima pentru un nou ciclu de divizare a ATP).
Numai dupa ce sodiul a catalizat transferul fosfatului catre enzima, poate fi transportat din celula.
In mod similar, numai dupa ce potasiul a eliberat fosfatul din enzima, poate fi transportat in celula.
Aceasta cuplare stransa a divizarii ATP-ului cu pomparea sodiului si potasiului este ceea ce creeaza transportul activ primar.
Pompa de sodiu-potasiu extrage o sarcină pozitivă netă în timpul fiecărui ciclu de divizare a ATP, ceea ce creează un flux de curent care generează un potențial electric prin membrană.
Acest potențial electric se adaugă la alte potențiale create de difuzia ionilor prin canalele închise.
În anumite celule nervoase specializate, contribuția pompei la potențialul general este importantă.

Pompele De Calciu

Există celule animale care pot scoate calciul din interiorul lor folosind un proces numit transport activ primar, creând un gradient de calciu care poate fi de 10.000 de ori mai mare decât cel din afara celulei.
Aceste celule folosesc enzime numite ATPaze activate de calciu, care sunt proteine ​​intrinseci ale membranei celulare și se comportă similar cu ATPaza activate de sodiu-potasiu, suferind modificări conformaționale.
Atunci când concentrația de calciu crește în celulă prin deschiderea canalelor selective pentru calciu, pompele de calciu ale membranei celulare reduc concentrația de calciu la niveluri mai scăzute.

Pompele De Ioni De Hidrogen

Stomacul produce acid clorhidric prin transportul activ al ionilor de hidrogen din sânge prin mucoasa gastrică.
O proteină intrinsecă de divizare a ATP activată de hidrogen-potasiu în celulele stomacului poate crea gradienți de concentrație de hidrogen de aproape un milion.
Această enzimă este similară cu enzimele activate cu sodiu-potasiu și calciu.
Alți transportatori activi primari care divizează ATP și pompează hidrogenul apar în organele intracelulare, bacterii și plante.
Gradientul de ion hidrogen reprezintă o sursă de energie care poate fi utilizată pentru a acumula nutrienți sau pentru a stimula mișcarea flagelilor bacterieni.

Transportul Particulelor

Când molecule mari trebuie să treacă prin membrana celulară, aceasta suferă mișcări sincronizate care duc la internalizarea unui fragment din mediul extern al celulei (endocitoză) sau la externalizarea unui fragment din mediul intern al celulei (exocitoză).
Aceste mișcări implică fuzionarea suprafețelor membranelor, urmată de re-formarea membranelor intacte.

Endocitoza

În procesul de endocitoză, membrana celulară formează o buclă în jurul porțiunilor din mediul exterior și apoi atrage o veziculă delimitată de membrană numită endozom în interiorul celulei.
Există mai multe tipuri de endocitoză:

• în pinocitoză, veziculele sunt mici și conțin lichid;
• în fagocitoză, veziculele sunt mai mari și conțin materie solidă;
• iar în endocitoza mediată de receptor, materialul se leagă de un receptor specific de pe fața externă a membranei celulare, declanșând procesul prin care este înghițit.

Ultima cale prin care colesterolul intră în celule este prin endocitoza mediată de receptor.

Exocitoza

În timpul exocitozei, substanțele produse în interiorul celulei sunt ambalate în vezicule legate de membrana și sunt eliberate în exteriorul celulei prin fuziunea acestor vezicule cu membrana celulară externă.
Aceste substanțe includ proteine specifice celulei, neurotransmițători și alte molecule variate.

Membrana Interna

Diferența între celulele eucariote și cele procariote constă în prezența membranelor interne.
Celulele procariote sunt mici, având între unu și cinci micrometri lungime și conțin doar o singură membrană celulară.
Funcțiile metabolice sunt adesea limitate la diferite zone ale membranei, mai degrabă decât la zone din corpul celulei.
În schimb, celulele eucariote sunt mult mai mari, membrana celulară constituind doar 10 la sută sau mai puțin din membrana celulară totală.
Funcțiile metabolice din aceste celule sunt efectuate în organele sau compartimentele sechestrate din corpul celular, numite organele sau compartimentele citoplasmatice, care sunt înconjurate de membrane interne.
Această secțiune abordează rolul membranelor interne în cadrul celulelor eucariote, inclusiv al organelor și veziculelor.
În acestea se numără lizozomii, peroxizomii și glioxizomii, care conțin enzime foarte reactive.
Membranele interne formează reticulul endoplasmatic, unde se sintetizează proteinele și lipidele membranelor celulare.
De asemenea, formează Aparatul Golgi, o structură alcătuită din stive de saci turtiți, care este responsabil pentru transportul și modificarea lipidelor, proteinelor și carbohidraților.
În cele din urmă, membranele celulare interne pot forma vezicule de depozitare și transport, precum și vacuolele celulelor vegetale.
Fiecare structură membranară are propria sa compoziție distinctă de proteine ​​și lipide, ceea ce le permite să îndeplinească funcții unice.
Organele principale, cum ar fi nucleul, mitocondria și cloroplastul (la plante), sunt discutate separat în altă parte.

Functii

Asemenea membranei celulare, organele conțin proteine de transport numite permeaze, care permit schimbul de substanțe chimice între organele.
De exemplu, permeazele din membrana lizozomală permit aminoacizilor să treacă din lizozom în citoplasmă, unde pot fi folosiți pentru sinteza de noi proteine.
Comunicarea între organe se face prin procese de endocitoză și exocitoză, la fel ca și în membrana celulară.
În plus, membranele interne ale organelor mențin condiții diferite de cele ale altor organe sau ale citosolului, izolându-le astfel.
De exemplu, lizozomii au un pH mult mai acid decât citosolul și acest lucru este menținut prin pompe de protoni în membrana lizozomului.
Organele au și rolul de a preveni interferența între diferite reacții enzimatice.
Prin urmare, proteinele sunt sintetizate în reticulul endoplasmatic rugos și în citosol, iar proteinele nedorite sunt descompuse în lizozomi sau în citosol.
Acizii grași sunt, de asemenea, produși în citosol și apoi descompusi în mitocondrii pentru sinteza ATP sau degradați în peroxizomi cu generarea de căldură.
Aceste procese sunt menținute izolate prin intermediul membranei organelor pentru a preveni interferența între ele.
De asemenea, membranele organelor împiedică subprodusele sau enzimele periculoase să atace moleculele sensibile din alte părți ale celulei prin sechestrarea lor în compartimentele respective delimitate de membrană.
Membranele interne ale celulelor eucariote diferă de membrana celulară exterioară atât din punct de vedere structural, cât și chimic.
Acestea sunt alcătuite dintr-un dublu strat fosfolipidic și conțin proteine specifice membranei, la fel ca membrana exterioară.
Fosfolipidele sunt lipidele principale care formează toate membranele celulare, în timp ce colesterolul, care contribuie la stabilitatea și fluiditatea membranelor, se găsește în concentrații mai mici în membranele interne decât în membrana exterioară.
Glicolipidele sunt prezente în cantități foarte mici în membranele interne, dar sunt mai comune în membrana exterioară.

Organele Celulare și Membranele Acestora

Organele celulare au membrane interne distincte care îndeplinesc funcții specifice, precum menținerea condițiilor izolate necesare pentru procesele biochimice și prevenirea interferenței enzimatice între organele diferite.

Vacuola

Majoritatea celulelor vegetale conțin vacuole, care sunt vezicule legate de membrană.
În interiorul acestora se găsește seva celulară, o soluție de săruri și zaharuri menținută la o concentrație ridicată prin transportul activ al ionilor prin permeazele din membrana vacuolei.
Pomparea protonilor menține, de asemenea, concentrații mari de protoni în interiorul vacuolei.
Datorită acestor concentrații mari, apa intră în vacuolă prin osmoză, ceea ce face ca vacuola să se extindă și să genereze o presiune hidrostatică numită turgor, care apasă membrana celulară pe peretele celular.
Turgorul este responsabil de rigiditatea țesutului vegetal viu.
În celula vegetală matură, o singură vacuolă poate ocupa până la 90% din volumul celulei, în timp ce celulele imature conțin mai multe vacuole mai mici.

Lizozomii

Lizozomii sunt organele celulare care protejează alte componente ale celulei de enzimele hidrolitice periculoase, care funcționează în condiții acide.
Aceștia sunt alcătuiți dintr-o singură membrană cu două straturi fosfolipidice, variază în dimensiuni și sunt formați prin fuziunea veziculelor din Golgi cu endozomii de la suprafața celulei.
Hidrolazele sunt enzime prezente în lizozomi și ajută la degradarea proteinelor, acizilor nucleici, lipidelor, glicolipidelor și glicoproteinelor.
Aceste enzime sunt cele mai active în mediul acid din interiorul lizozomilor.
După ce materialul este descompus, lipidele și aminoacizii sunt transportați prin membrana lizozomală prin permeaze pentru utilizare în biosinteză, iar resturile rămase sunt numite corpuri reziduale.

Microcorpi

Microcorpii sunt organele celulare care au o formă sferică și sunt acoperite de o membrană.
Acestea sunt de obicei mici, având un diametru cuprins între 0,5 și 1 micrometru.
Unul dintre cele mai comune tipuri de microcorp este peroxizomul, care a primit numele de la peroxidul de hidrogen, un intermediar reactiv în procesul de descompunere moleculară care are loc în acest organel.
În peroxizomi se găsesc oxidaze de tip II, enzime care utilizează oxigenul molecular în reacții de oxidare a moleculelor organice.
Aceste reacții produc peroxidul de hidrogen, care este apoi metabolizat în apă și oxigen prin intermediul enzimei catalază, care este prezentă în cantități mari în peroxizomi.
De asemenea, aceste organe conțin și alte enzime care ajută la descompunerea lipidelor.
Glioxizomul este un tip de peroxizom care se găsește în celulele vegetale și conține enzime care joacă un rol important în conversia grăsimilor în carbohidrați.

Reticulul Endoplasmatic

Sistemul reticulului endoplasmatic constă din saci turtiți de membrană care se întind în interiorul celulei și pot reprezenta peste jumătate din membrana totală a celulei.
Acesta a fost observat pentru prima dată la sfârșitul secolului al XIX-lea, când cercetătorii au identificat o structură citoplasmatică extinsă numită gastroplasmă.
Cu ajutorul microscopului electronic, structura a fost studiată mai detaliat în anii ’40 și numită reticul endoplasmatic.
Există două forme funcționale distincte ale reticulului endoplasmatic, și anume reticulul endoplasmatic neted (SER) și reticulul endoplasmatic rugos (RER).
O diferență morfologică evidentă între cele două este faptul că ribozomii sunt atașați la suprafața exterioară a RER, unde sunt implicați în sinteza proteinelor.

Reticulul Endoplasmatic Neted

Reticulul Endoplasmatic Neted, o rețea de vezicule membranare tubulare fine, îndeplinește diverse funcții în celule, variațiile fiind semnificative de la o celulă la alta.
Unul dintre rolurile sale importante este sinteza fosfolipidelor și a colesterolului, componente esențiale ale membranelor celulare și interne.
Fosfolipidele sunt compuse din acizi grași, fosfat de glicerol și alte molecule mici solubile în apă, produse de enzime situate în membrana reticulului endoplasmatic.
Unele fosfolipide rămân în membrana reticulului endoplasmatic și sunt re-distribuite prin intermediul enzimelor specifice membranare, pentru a asigura creșterea simetrică a membranei reticulului endoplasmatic, în timp ce altele sunt transferate la alte structuri membranoase, cum ar fi membrana celulară și mitocondria, prin proteine ​​speciale de transfer de fosfolipide.
În celulele hepatice, Reticulul Endoplasmatic Neted are o funcție specializată în detoxifierea unei game largi de compuși metabolici.
SER din ficat conține o serie de enzime numite citocrom P450, care catalizează descompunerea agenților cancerigeni și a altor molecule organice.
În celulele glandelor suprarenale și gonadelor, colesterolul este modificat în Reticulul Endoplasmatic Neted într-o etapă a conversiei sale în hormoni steroizi.
În cele din urmă, Reticulul Endoplasmatic Neted din celulele musculare, cunoscut sub numele de reticul sarcoplasmatic, sechestrează ionii de calciu din citoplasmă.
Atunci când mușchiul este declanșat de stimuli nervoși, ionii de calciu sunt eliberați, provocând contracția musculară.

Reticulul Endoplasmatic Rugos

Reticulul Endoplasmatic Rugos (RER) este alcătuit în general din saci interconectați.
Această structură celulară are un rol central în sinteza și exportul proteinelor și glicoproteinelor, fiind cel mai bine studiat în celulele specializate în secreție.
Printre cele mai numeroase celule secretoare din corpul uman se numără:

• celulele hepatice, care secreta proteine serice precum albumina,
• celulele endocrine, care secreta hormoni peptidici, precum insulina, glandele salivare
• celulele pancreatice acinare, care secreta enzime digestive,
• celulele mamare, care secreta proteine din lapte,
• celulele cartilajului, care secreta colagen și proteoglicani.

Ribozomii sunt particule care se ocupă cu sintetizarea proteinelor din aminoacizi.
Acești ribozomi sunt alcătuiți din patru molecule de ARN și între 40 și 80 de proteine care se asamblează în două subunități, una mare și una mică. Există două tipuri de ribozomi: cei liberi în citoplasma celulară și cei legați de RER.
Ribozomii legați de membrană sintetizează proteinele lizozomale, proteinele destinate membranelor celulare, precum și proteinele care urmează să fie secretate din celulă.
Proteinele care rămân în citosol și cele care urmează să fie incorporate în alte organele sunt fabricate de ribozomii liberi.
Caracteristicile speciale ale proteinelor le permit să fie etichetate pentru a fi transportate către destinații specifice în interiorul sau în afara celulei.
În 1971, Günter Blobel și David Sabatini au propus că secvența semnal amino-terminală a proteinei ar facilita atașarea acesteia la membrana ER și ar conduce proteina fie în membrană, fie prin membrană în lumenul ER.
Această descoperire a ajutat la înțelegerea mecanismului prin care proteinele sunt transportate în celule.
Se crede că ipoteza semnalului este adevărată datorită multor experimente.
Procesul de sinteză a unei proteine începe pe un ribozom liber cu traducerea unei molecule de ARN mesager specifică.
În timp ce proteina se formează, cu secvența semnal la capătul său amino-terminal, aceasta se leagă de un complex de șase proteine și o moleculă de ARN numită SRP (particula de recunoaștere a semnalului).
SRP se leagă de ribozom pentru a opri sinteza proteinei. Membrana ER conține receptori care leagă complexul SRP-ribozom de membrana RER.
După legare, sinteza se reia și secvența semnal și restul proteinei în curs de dezvoltare trec prin membrană printr-un canal numit translocon în lumenul ER.
Aici, proteina se pliază în conformația sa tridimensională caracteristică.
Secvența semnal este adesea scindată din proteină de o enzimă numită peptidază semnal pe măsură ce iese pe suprafața luminală a membranei ER.
În plus, într-un proces numit glicozilare, adesea se adaugă lanțuri de oligozaharide la proteine pentru a forma glicoproteine.
Astfel, proteinele sunt permanent segregate de citosol și transportate la destinații specifice în interiorul sau în afara celulei.
Proteinele care trebuie secretate din celulă sunt ambalate în vezicule mici de transport delimitate de membrana ER și se deplasează către Golgi printr-o regiune a ER care este în mare parte lipsită de ribozomi.
Veziculele se unesc cu membrana Golgi și eliberează conținutul lor în lumenul Golgi.
Această fuziune între membrane păstrează orientarea laterală a membranei, astfel încât suprafața citoplasmatică a membranei este orientată spre exterior, iar conținutul luminal este separat de citoplasmă.
Proteinele de membrană sunt realizate pe RER și rămân ancorate în membrana celulei.
În plus față de secvența semnal, aceste proteine au regiuni de ancorare compuse din aminoacizi liposolubili care le împiedică să treacă complet în lumenul ER.

Aparatul Golgi

Complexul Golgi este locul unde proteinele secretoare și glicoproteinele sunt modificate, finalizate și exportate.
Acest organel a fost descoperit de citologul italian Camillo Golgi în 1898 și are o structură formată din cinci până la opt cisterne aplatizate, dispuse ca o stivă și închise în membrane.
Proteinele secretoare și glicoproteinele, proteinele și glicoproteinele membranei celulare, proteinele lizozomale și unele glicolipide trec toate prin Golgi în timpul procesului lor de maturare.
În celulele vegetale, mult din materialul peretelui celular trece, de asemenea, prin Golgi.
Aparatul Golgi este alcătuit dintr-o serie de segmente structurale, inclusiv o față „cis” în apropierea RER, un segment medial și o față „trans” aproape de membrana celulară.
Aceste segmente sunt diferite biochimic și conțin enzime specifice.
În timp ce proteinele secretoare trec prin Golgi, ele pot fi supuse unor modificări chimice, iar una dintre cele mai importante este modificarea grupurilor de carbohidrați.
Enzimele din Golgi modifică lanțurile de oligozaharide prin adăugarea sau îndepărtarea de reziduuri de zaharuri pentru a produce diferite forme de glicoproteine.
Aceste modificări pot fi necesare pentru activitatea sau stabilitatea proteinei sau pentru a dirija moleculele spre destinații specifice.
De asemenea, în Golgi și veziculele secretoare se găsesc proteaze care taie proteinele secretoare în poziții specifice de aminoacizi, ceea ce poate duce la activarea proteinei.

Vezicule Secretoare

De obicei, eliberarea proteinelor sau a altor molecule dintr-o veziculă secretorie are loc atunci când este stimulată de un semnal nervos sau hormonal.
De exemplu, o semnalizare a celulelor nervoase declanșează fuziunea veziculelor secretoare cu membrana de la terminalul nervos, unde veziculele eliberează neurotransmițători în fanta sinaptică (spațiul dintre terminațiile nervoase).
Acest proces este cunoscut sub numele de exocitoză, în care vezicula și membrana celulară fuzionează, permițând proteinelor și glicoproteinelor din veziculă să fie eliberate în exteriorul celulei.
În timpul procesului de fuziune, aria membranei celulare crește.
Dimensiunea inițială este restabilită prin recaptarea componentelor membranei prin endocitoză.
Regiunile de la suprafața celulară se bulbucă și apoi fuzionează cu membranele interne pentru a efectua reciclarea.

Nucleul Celulei

Nucleul este o structură importantă din celulele eucariote și este înconjurat de o membrană.
El conține acidul dezoxiribonucleic dublu catenar (ADN) care stochează informațiile genetice necesare pentru a menține caracterul unic al celulei.
Celulele eucariote, care sunt celulele organismelor multicelulare, au un nucleu distinct, în timp ce celulele procariote, care sunt celulele organismelor unicelulare, cum ar fi bacteriile, nu au nuclee și ADN-ul lor este în același compartiment cu celelalte componente celulare.
Nucleul are rolul principal de a exprima anumite subseturi de informații genetice codificate în ADN-ul dublu catenar.
Aceste subseturi, denumite gene, conțin instrucțiunile pentru construirea unei proteine specifice dintr-un lanț de aminoacizi.
Cu toate acestea, informațiile din ADN nu sunt direct decodate în proteine.
Ele trebuie mai întâi transcrise, sau copiate, în molecule de ARNm, care codifică informația pentru o proteină (sau mai multe proteine în cazul bacteriilor).
Moleculele de ARNm sunt transportate prin învelișul nuclear în citoplasmă, unde sunt traduse, servind drept modele pentru sinteza proteinelor specifice.
Nucleul îndeplinește o serie de funcții importante în celula eucariotă, printre care sinteza ARNm pentru o varietate de proteine.
Este necesară și reglarea cantității de ARNm sintetizate și furnizate citoplasmei, iar aceste cantități trebuie să difere de la un tip de celulă la altul.
În plus, nucleul este implicat și în sinteza altor tipuri de ARN, care sunt implicate în procesul general de sinteză a proteinelor.

Organizarea Structurală A Nucleului

Nucleul dintr-o celulă umană obișnuită are doar 6 micrometri în diametru, dar conține 1,8 metri de ADN împărțit în 46 de cromozomi, fiecare fiind o moleculă de ADN de 40 mm lungime.
Pentru a vizualiza această ambalare extraordinară, puteți imagina un model mărit de un milion de ori, unde o moleculă de ADN ar fi subțire ca un fir și cromozomul mediu ar conține 40 km de ADN.
În ciuda dimensiunilor mici ale nucleului, acesta conține 1.800 km de ADN.
Pentru a fi copiat cu precizie și selectivitate, conținutul ADN-ului din nucleu trebuie să fie organizat într-un mod specific.
În loc să fie aruncat și înghesuit într-un colț, ADN-ul interacționează cu proteine nucleare pentru a forma o structură densă numită cromatină.
Această structură poate fi extrem de pliată și compactată în timpul diviziunii celulare, când cromatina este împărțită între celulele fiice.

Nucleozomul

ADN-ul este compactat prin înfășurarea sa în jurul unui grup de proteine mici numite histone.
Histonele sunt alcătuite din aminoacizi încărcați pozitiv care se leagă strâns de sarcinile negative ale ADN-ului, neutralizându-le.
Histonele se împart în cinci clase, iar patru dintre ele se combină în octamere care se înfășoară în jurul a două spire de ADN, formând nucleozomii.
ADN-ul intră și iese dintr-o serie de nucleozomi, legându-i ca niște mărgele.
Un șir de nucleozomi este apoi înfășurat într-o configurație de solenoid de către a cincea histonă, numită H1.
H1 se leagă de locul în care ADN-ul intră și iese din fiecare nucleozom, iar un lanț de molecule H1 înfășoară șirul de nucleozomi în structura solenoidă a fibrei cromatinei.
Nucleozomii sunt structuri formate din proteine numite histone, care se leagă de ADN-ul din cromozomi și neutralizează încărcăturile negative ale acestuia.
Această organizare în nucleozomi are avantajul de a compacta ADN-ul într-un spațiu mic, fiind eficientă din punct de vedere al ambalării.
În plus, această structură permite ADN-ului inactiv să fie pliat într-o conformație inaccesibilă, contribuind la selectivitatea expresiei genelor.
Astfel, ADN-ul poate fi păstrat într-un format compact și ordonat, ceea ce permite celulei să își gestioneze eficient informația genetică.

Organizarea Fibrei Cromatinei

Din cercetările efectuate, se pare că cromatina este organizată sub forma unor bucle radiale mari, care sunt ancorate la proteine specifice din schelet.
Fiecare buclă conține un șir de nucleozomi și poate fi legată la unități de organizare genetică.
Acest aranjament radial compactează ADN-ul de aproximativ o mie de ori.
Pentru o compactare suplimentară, întreaga fibră de cromatină este înfășurată în bucle și formează o structură densă numită cromatidă.
Două cromatide formează un cromozom.
În timpul diviziunii celulare, această înfășurare produce o compactare a ADN-ului de 10.000 de ori.

Structura ADN-ului

Majoritatea organismelor au structura genetică comună, formată din ADN dublu catenar.
Fiecare catenă este alcătuită din nucleotide, care sunt compuse dintr-un zahăr-fosfat și o bază azotată.
Coloana vertebrală a firului este formată din compuși zahăr-fosfat, iar bazele azotate din cele două fire se atrag și se leagă între ele printr-o legătură chimică specifică, formând structura spiralată a moleculei de ADN.
Această împerechere de baze creează o legătură între cele două catene ale moleculei de ADN, asemănătoare treptelor unei scări.
ADN-ul este format din milioane de baze nucleotidice, reprezentate de adenină, citozină, guanină și timină, care se succed într-o varietate aparent nelimitată de secvențe.
Aceste secvențe conțin informații genetice și determină secvența de aminoacizi din proteinele celulare.
O secvență suficient de lungă pentru a codifica o proteină se numește genă.
În ADN sunt intercalate gene cu alte secvențe, numite regiuni netraduse, care nu codifică proteine, dar reglează activitatea genelor adiacente prin marcarea punctelor de început și de final al transcripției ADN-ului în ARN.

Rearanjarea și modificarea ADN-ului

Schimbările și mutațiile în secvențele de nucleotide ale ADN-ului sunt rare și pot cauza modificări semnificative în structura și funcția celulelor.
Cu toate acestea, fiecare celulă din corp are un set identic de informații genetice, iar conținutul și aranjamentul genetic sunt similare între diferitele tipuri de celule ale aceluiași organism.
Acest lucru permite diferențierea celulelor fără a pierde sau inactiva ireversibil genele care nu sunt necesare într-un anumit tip de celulă.
De exemplu, genele care codifică hemoglobina sunt prezente în același număr în celulele roșii din sânge care produc hemoglobină și în alte tipuri de celule care nu au această funcție.
Chiar dacă toate celulele dintr-un organism au același conținut genetic de bază, cercetările au arătat că în unele organisme apar modificări programate și reversibile ale ADN-ului în țesuturile aflate în dezvoltare. Un exemplu important de rearanjare a ADN-ului are loc în sistemul imunitar al mamiferelor.
În lupta împotriva invaziei organismelor străine, limfocitele (un tip de globule albe) produc o varietate largă de anticorpi care se leagă de molecule sau organisme specifice și le inactivează sau le semnalează distrugerea.
Anticorpii sunt alcătuiți din lanțuri de aminoacizi codificate de diferite segmente ale ADN-ului din nucleul limfocitelor.
Aceste segmente de ADN suferă rearanjamente semnificative, ceea ce duce la producerea unei varietăți mari de anticorpi.
În cazul unor organisme invazive, precum paraziții tripanozomi care provoacă boala somnului, rearanjarea selectivă a propriului lor ADN îi ajută să evite producția de anticorpi a gazdelor lor, prin modificarea constantă a suprafeței lor prezentate sistemului imunitar al gazdelor.
Prin comparații atente ale structurii genelor, s-a descoperit că există modificări ereditare numite modificări epigenetice care apar în afara secvenței de bază a ADN-ului.
Aceste modificări nu implică rearanjarea secvenței ADN-ului în sine, ci apar pe partea de zahăr-fosfat a acestuia.
Un exemplu de modificare epigenetică este adăugarea unei grupări metil la bazele citozină din ADN.
Această modificare pare să determine inactivarea genelor care nu trebuie să fie exprimate într-un anumit tip de celulă.
Un aspect important al acestei metilări constă în faptul că grupările metil pot fi copiate în timpul diviziunii celulare, astfel încât ADN-ul ambelor celule fiice va avea grupările metil în aceleași poziții.

Transcrierea Codului Genetic Din ADN în ARN

Procesul de exprimare genetică, care implică transcrierea și traducerea informației genetice, are un impact semnificativ asupra modulării informației genetice.
Acest proces are loc în mai multe etape și poate duce la diferențierea suplimentară a tipurilor de celule.
Informația genetică este codificată în secvențele bazelor nucleotidice din molecula de ADN.
În timpul transcrierii, una dintre cele două catene ale ADN-ului este copiată în ARN mesager (ARNm), iar baza timină din ADN este înlocuită cu uracil.
ARN-ul are, de asemenea, o componentă de zahăr diferită (riboză) de cea din ADN (dezoxiriboză).
ARN-ul este mai instabil decât ADN-ul și este continuu înlocuit și defalcat, ceea ce permite celulelor să-și schimbe modelele de sinteză a proteinelor.
Pe langa ARNm, care codifica proteine, alte tipuri de ARN sunt produse in nucleu.
Printre acestea se numara ARN ribozomal (ARNr), care face parte din ribozomi si este exportat in citoplasma pentru a ajuta la traducerea informatiei din ARNm in proteine.
ARNr este sintetizat intr-o zona specializata a nucleului numita nucleol, care apare ca o zona densa si contine genele care codifica ARNr.
Aici are loc si asamblarea subunitatilor ribozomale din ARNr si proteinele ribozomale.
Proteinele ribozomale sunt sintetizate in citoplasma si apoi transportate in nucleu pentru a fi asamblate in nucleol.
Subunitatile sunt apoi aduse inapoi in citoplasma pentru asamblarea finala.
Un alt tip de ARN sintetizat in nucleu este ARN de transfer (ARNt), care are rolul de a lega aminoacizii individuali cu tripletele de nucleotide din ARNm in timpul sintezei proteinelor.

Sinteza ARN

Organismele utilizează enzime numite ARN polimeraze pentru a sintetiza ARN-ul.
Există trei tipuri principale de ARN polimeraze în organismele superioare – I, II și III, fiecare fiind format din mai multe subunități proteice complexe.

• ARN polimeraza I sintetizează trei tipuri de ARNr (numite ARN 18S, 28S și 5.8S) și este activă în nucleol, unde se află genele care codifică aceste molecule de ARNr.
• ARN polimeraza II sintetizează ARNm, însă inițial produsele sale sunt precursori mai mari numiți ARN nuclear heterogen, care sunt procesați ulterior pentru a deveni ARN matur.
• ARN polimeraza III sintetizează ARNt și a patra componentă a ribozomului numită ARN 5S.

Pentru a produce ARN, există trei tipuri de polimeraze denumite ARN polimeraze.
Acestea încep sinteza ARN-ului de la anumite locuri de pe ADN și continuă până la sfârșitul genei, adăugând nucleotide selectate și legându-le între ele.
Energia necesară pentru sinteza ARN provine din legăturile fosfatului de înaltă energie din precursorii nucleotidici.
Produsul final al sintezei ARN constă într-un zahăr, o bază și trei fosfați, dar doi fosfați sunt eliminați pentru fiecare nucleotidă adăugată.
Secvența de nucleotide din ARN este specificată de secvența de nucleotide din matrița ADN.
Fiecare adenină din ADN specifică uracil în ARN, fiecare citozină specifică guanina, fiecare guanină specifică citozină și fiecare timină din ADN specifică adenina.
Aceasta permite informațiilor codificate în gene să fie transcrise în ARN, care este apoi tradus de mașina de sinteză a proteinelor din citoplasmă.
In afara de furnizarea informatiilor pentru specificarea secventei aminoacizilor in proteine, secventa de nucleotide din ADN contine si alte informatii importante.
De exemplu, secventele scurte de nucleotide determina locul de initiere pentru fiecare ARN polimeraza, indicand unde si cand trebuie sa aiba loc sinteza ARN.
Pentru ARN polimerazele I si II, secventele care indica locul de initiere se afla chiar inaintea genelor respective.
In schimb, informatia similara pentru ARN polimeraza III se afla in interiorul genei, adica in regiunea ADN-ului care urmeaza sa fie copiata in ARN.
Locul de initiere de pe un segment de ADN se numeste promotor. Promotorii genelor diferite au anumite secvente de nucleotide comune, dar difera in altele.
Proteinele specifice numite factori de transcripție recunosc diferentierea secventelor si sunt necesare pentru exprimarea anumitor tipuri de gene.
Specificitatea acestor factori contribuie la diferentele in expresia genelor in celulele de tipuri diferite.

Procesarea ARNm

După ce este sintetizat, ARNm trece printr-un proces complex de modificare în nucleu.
Prima etapă este adăugarea unei nucleotide modificate la începutul moleculei de ARN, numită capping.
Acest capac protejează ARNm și îi permite să se lege de un ribozom în citoplasmă.
În plus, sinteza ARNm nu se termină pur și simplu cu desprinderea ARN polimerazei de ADN, ci se încheie prin clivajul chimic al lanțului de ARN.
Unele, dar nu toate tipurile de ARNm, au un lanț de poliadenină simplu adăugat la capetele lor clivate.
Pe lângă modificările la capetele moleculelor de ARNm, s-a descoperit în 1977 că moleculele de ARN proaspăt sintetizate sunt tăiate și aruncate.
Unele gene au secvențe intermediare numite introni, care trebuie eliminate din copia de ARN pentru a produce ARNm funcțional.
Numărul și dimensiunea acestor introni variază de la gene la gene, iar suma lungimilor lor poate fi mai mare decât suma regiunilor care codifică proteinele.
Pentru îndepărtarea intronilor, se pare că sunt necesare particule mici de ribonucleoproteine nucleare (snRNP) care se leagă la joncțiunile dintre intron și regiunea codificatoare adiacentă și, prin răsucirea intronului într-o buclă și excizia buclei, unesc regiunile de codificare.
Deși toate celulele din organism au aceleași gene în mod general, celulele specializate din diferite tipuri de țesuturi au diferențe semnificative între ele.
Aceste diferențe nu sunt datorate modificărilor rare ale ADN-ului, așa cum s-a menționat anterior, ci se datorează expresiei selective a ADN-ului prin ARN.
Acest proces poate fi observat în reglarea cantităților și activităților ARNm, atât în timpul, cât și după sinteza lor în nucleu.

Reglarea Sintezei ARN

Un prim mod de reglare al exprimării genelor este realizat prin modificările structurale ale cromatinei.
Pentru ca o genă să fie transcrisă, aceasta trebuie să fie într-o formă specifică de cromatină activă.
Un alt mod de reglare este prin schimbarea frecvenței la care o genă în forma activă este transcrisă în ARN de către ARN polimerază.
Există dovezi care arată că reglarea sintezei ARN are loc la ambele niveluri, cum ar fi în răspuns la hormoni.
Se crede că factorii proteici joacă un rol important în această reglare, prin legarea la regiunile speciale ale ADN-ului numite promotori, care flanchează gena transcrisă.
După ce sunt produse, moleculele de ARN sunt supuse procesării selective, astfel încât numai o anumită subpopulație de molecule de ARN este exportată în citoplasmă.
Mai mult, stabilitatea unui anumit tip de ARNm în citoplasmă poate fi reglată.
De exemplu, hormonul prolactină poate crește atât sinteza proteinelor din lapte, cât și durata de viață a ARNm asociat acestor proteine, ceea ce duce la o creștere semnificativă a sintezei proteice.
În schimb, unele ARNm pot fi selectiv dezactivate, cum ar fi cazul histonei ARNm, care este rapid degradată atunci când se produce o perturbare a replicării ADN-ului.
În cele din urmă, există multe exemple de reglare selectivă a traducerii ARNm în proteine.