3. Celula și fiziologia celulară

3.1. Introducere

Toate organismele vii sunt formate din celule, concept cunoscut ca fiind teoria celulară care este un principiu de bază al biologiei. Biologia corpului uman gravitează în jurul biologiei celulare.

Un criteriu important de clasificare a organismelor vii îl reprezintă celula care le împarte în două grupuri: eucariote și procariote.

Celulele procariote: nu au nucleu, nu au organite, nu se divid prin mitoză; exemple: bacteriile.

Celulele eucariote: au nucleu, au organite, se divid prin mitoză; exemple: plantele, animalele, oamenii.

3.2. Structura celulei

Cele două componente de bază din alcătuirea tuturor celulelor, sunt: citoplasma și membrana celulară (membrana plasmatică).

Membrana celulară

Membrana celulară, este o membrană externă, cunoscută și sub denumirea de membrană plasmatică, delimitează celula, menține forma acesteia, separă structurile interne de mediul extracelular și controlează pasajul substanțelor în și din celulă.

Principalele sale componente sunt proteine și lipide (mai ales fosfolipide). Lipidele sunt dispuse în două straturi (bistrat). Din punct de vedere structural, fosfolipidele prezintă un capăt polarizat ce conține fosfor (hidrofil, este atras de apă) și unul nepolarizat alcătuit din acizi grași (hidrofob, este respins de apă).

Ca urmare a acestor proprietăți ale fosfolipidelor, membrana celulară prezintă o structură de „sandwich” în care:

• capetele polarizate au contact cu apa din exteriorul și interiorul celulei;
• capetele nepolarizate sunt dispuse față în față în partea internă a membranei.

Datorită acestei proprietăți a fosfolipidelor, membrana plasmatică își poate mări suprafața la nevoie (în momentul în care veziculele aparatului Golgi fuzionează cu aceasta).

La exterior, unele molecule ale stratului lipidic prezintă atașat molecule de glucide și astfel formează glicolipide. La nivelul membranei plasmatice se găsesc și cantități mari de colesterol (lipid) care stabilizează lipidele din alcătuirea membranei celulare, diminuând fluiditatea acesteia.

Proteinele par să plutească printre lipide ceea ce poate atribui membranei structura de mozaic fluid. Acestea sunt dispuse atât transmembranar cât și periferic. Proteinele transmembranare se află în întreaga grosime a membranei celulare și ale căror proeminențe se observă pe ambele fețe ale acesteia. Proteinele transmembranare funcționează ca transportori ai moleculelor organice precum și canale pentru transportul transmembranar. În general, glucidele se asociază proteinelor orientate spre exteriorul celulei (spre mediul extern al celulei) și formează glicoproteine. Astfel, glicolipidele și glicoproteinele din exteriorul celulei intervin în recunoașterea acestora, funcționând ca receptori pentru molecule semnalizatoare – hormonii.

Proteinele periferice sunt atașate pe suprafața membranei. Numeroase astfel de proteine funcționează ca enzime, iar altele intervin în remodelarea celulară ce are loc în timpul diviziunii și contracțiilor celulare.

Citoplasma și organitele

Citoplasma este o substanță cu consistența unui gel, semilichidă, fundamentală pentru celulă. La nivelul ei se desfășoară anumite procese metabolice și sinteze proteice. La nivelul ei se află nucleul (componentul celular cel mai mare), precum și numeroase componente microscopice specializate (organite sau „mici organe”), la nivelul cărora se manifestă variate funcții celulare.

Figura 3.2 Alcătuirea unei celule umane.

Completare: Pe imaginea de mai sus se observă cum în alcătuirea unei celule umane intră și centrioli.

Reticul endoplasmatic (RE), organit alcătuit dintr-un ansamblu (rețea) de membrane interconectate alcătuită din saci și canale care se extind intracitoplasmatic. La nivelul său are loc sinteza lipidelor, a membranei și depozitarea calciului. Neavând ribozomi în alcătuirea sa, se numește reticul endoplasmatic neted. Atunci când la nivelul RE se află structuri submicroscopice (corpusculi) compuse din ARN și proteine (denumiți ribozomi), RE devine reticul endoplasmatic rugos. Acesta reprezintă sediul sintezei proteinelor, iar ribozomii sunt corpusculi (particule) submicroscopici la nivelul cărora are loc combinarea chimică a aminoacizilor pentru a forma proteine (sintetizează proteine). Ribozomii mai sunt denumiți și particule citoplasmatice de ARN și proteine care pot fi atașați RE rugos sau pot fi liberi în citoplasmă.

Corpul Golgi (aparatul Golgi) format dintr-un grup de saci membranoși turtiți, în general, curbați la capete. Unirea lor parțială conduce la formarea de vezicule care seamănă cu picături. Aparatul Golgi intervine în procesarea și împachetarea proteinelor și lipidelor în vezicule pentru a fi transportate spre o destinație finală (secreție și transport către alte organite).

Lizozomul este un organit care derivă din aparatul Golgi. Acesta se prezintă sub forma unei vezicule (sac membranos) care deține enzime cu rol în digestia intracelulară. Enzimele sale intervin în degradarea particulelor nutritive care pătrund în celulă, le procesează și pun la dispoziția celulei produșii finali.

Veziculele sunt componente celulare cu structură de saci membranoși care conțin diverse substanțe transportate în celulă.

Mitocondria constituie organitul la nivelul căruia este eliberată cea mai mare parte a energiei de proveniență alimentară. Din punct de vedere structural, este un sac membranos cu partiție interioară. La nivelul său are loc degradarea moleculelor glucidelor, lipidelor, proteinelor, iar energia rezultată este utilizată în formarea de molecule de ATP care vor furniza ulterior energie celulei. Implicarea lor în procesele energetice celulare, le atribuie denumirea de „generatoarele celulei”. Această etapă prezintă importanță în mecanismul de respirație celulară.

În interiorul ei, procesul de respirație celulară este complet atunci când oxigenul se combină cu hidrogen și electroni și formează apa. Mitocondriile utilizează oxigenul din aerul inspirat, fără de care mitocondria ar produce insuficient ATP. Fără ATP în cantitate suficientă, celulele mor. Moartea unui număr din ce în ce mai mare de celule ca urmare a lipsei oxigenului și a ATP-ului, conduce la scăderea șanselor de supraviețuire a organismului.

Citoscheletul, structură celulară, ce se prezintă sub forma unei rețele interconectate de fibre, filamente și molecule îmbinate cu rol de structură de suport pentru celulă și deplasarea particulelor în citoplasmă.

Componentele principale ale citoscheletului sunt:

• microtubuli;
• microfilamente;
• filamente intermediare.

Toate acestea sunt alcătuite din subunități proteice: tije fine și tubuli.

Flagel, extensie a celulei umane, asemănătoare firului de păr, atașate corpusculilor bazali de sub membrana celulară, care asigură mișcarea anumitor celule (de exemplu, spermatozoizii).

Cilii și flagelii sunt formațiuni asemănătoare firelor de păr atașate corpusculilor bazali de sub membrana celulară. Cilii se diferențiează prin faptul că sunt mai scurți și mult mai numeroși decât flagelii. Cilii intervin în propulsia fluidelor pe suprafețe celulare. De exemplu, cilii de la nivelul căilor aeriene superioare și tractului respirator, se ondulează în mod sincron, permițând deplasarea mucusului cu particulele străine prinse la nivelul său.

Centrozomul este o structură nonmembranoasă, alcătuită din 2 centrioli în formă de tijă. Centrozomul are următoarele funcții: facilitează distribuția cromozomilor către celulele fiice în timpul reproducerii celulare; inițiază formarea cililor.

Nucleul

Toate celulele umane sunt nucleate (au nucleu), cu excepția globulelor roșii. Acesta poate varia din punct de vedere al formei, mărimii, poziției.

În alcătuirea nucleului celulei intră, în principal:

• un anumit tip de proteine, denumite histone – rolul lor este de a oferi un cadru de sprijin pentru ADN. Prin unirea lor cu ADN-ul formează structuri de dimensiuni electronomicroscopice, denumite nucleozomi, care se înfășoară între ei și formează cromozomul.
• ADN (acid dezoxiribonucleic) – organizarea acestuia este sub formă de unități liniare ce poartă numele de cromozomi care au segmente funcționale numite gene. În nucleii celulelor umane se află aproximativ 30.000 de gene.     

Nucleul celulelor prezintă o membrană care îl înconjoară, denumită înveliș nuclear. Acesta constituie o structură membranară dublă (este format din două membrane), în alcătuirea căruia intră două straturi duble de fosfolipide (față de membrana celulară la nivelul căreia este prezent doar un singur strat dublu de fosfolipide). Membrana nucleară prezintă pori care permit comunicarea dintre mediul intern nuclear și citoplasma celulei. Învelișul nuclear intervine în menținerea formei nucleului, precum și în controlul pasajului substanțelor între nucleu și citoplasmă.

Nucleul mai prezintă corpusculi denși sau mase dense (două sau mai multe), fără membrană, denumite nucleoli care conțin ARN (acid ribonucleic). Acesta are rol în producția unor subunități ale ribozomilor, care vor fi ulterior asamblate în citoplasmă, rezultând ribozomii.

Figura 3.3 Tipuri de celule umane.

De pe imaginea de mai sus: în celula nervoasă și în celula epitelială cilindrică cu microvili, nucleul este central, unic, ovalar, dispus în corpul celular. În leucocit nucleul este mare, unic și prezintă multiple invaginații. În celula adipoasă nucleul este excentric, ușor turtit. În celula musculară netedă nucleul este central, unic și ușor turtit.

3.3. Mișcările moleculare

Mecanismele mișcării moleculare prin membrana celulară, sunt:

• difuziunea;
• osmoza;
• difuziunea facilitată;
• transportul activ;
• endocitoza;
• exocitoza.

Caracterul semipermeabil al membranei plasmatice este justificat de faptul că aceasta poate fi traversată doar de moleculele mici cum ar fi, oxigen, dioxid de carbon, apă și lipide (care alunecă ușor printre fosfolipide), însă moleculele mari nu au trecere liberă de o parte și de alta a membranei. Membrana plasmatică constituie o cale care facilitează comunicarea dintre citoplasmă și mediul extern prin diferite modalități. Astfel, se descriu 6 mecanisme ale mișcării moleculare prin membrana celulară.

1. Difuziunea constă în mișcarea (deplasarea) moleculelor dintr-o zonă cu concentrație mai mare spre una cu concentrație mai mică. Această diferență de concentrație se numește gradient de concentrație. Acest fenomen are loc ca urmare a mișcării continue a moleculelor și tendinței acestora de a se deplasa din zone cu concentrație mare spre zone cu concentrație mică (în sensul gradientului de concentrație). De exemplu, la nivel pulmonar, trecerea moleculelor de oxigen din alveolele pulmonare (plămâni) în globulele roșii (în capilare) se face prin difuziune.

2. Osmoza, un tip de difuziune, care constă în difuziunea moleculelor de apă printr-o membrană semipermeabilă dintr-o zonă cu o concentrație mai mică a substanței dizolvate (solvit) în una cu concentrație mai mare. În acest caz, caracterul semipermeabil al membranei permite trecerea doar a moleculelor de apă. Un exemplu de osmoză: procesul de reabsorbție a apei la nivelul tubilor renali.

Solvit – substanță chimică dizolvată în lichid; de exemplu: NaCl;

Solvent – substanța în care se dizolvă (mediul de dizolvare);

Pentru o mai bună înțelegere a procesului de osmoză, se poate urmări experimentul următor: introducerea de celule umane într-o soluție cu concentrație de 5% sare. Astfel, se stabilește o diferență de concentrație între citoplasma celulei (unde concentrația normală de sare este de 1%) și cea din afara celulei. Conform procesului de osmoză, apa se va deplasa din citoplasmă, va traversa membrana celulară și va merge spre zona unde concentrația de sare (solvit) este mai mare (se numește soluție hipertonă). Acest lucru va conduce la micșorarea dimensiunilor celulei („zbârcire”).

Pe de altă parte, prin introducerea celulelor umane într-o soluție de sare cu concentrația de 0,3%, apa de va deplasa spre citoplasmă, traversând membrana celulară, spre concentrația mai crescută de sare. Astfel, procesul de osmoză a apei va determina umflarea celulelor sau chiar lizarea (explozia) lor. Concentrația de sare din exteriorul celulei fiind mai scăzută, spunem că se numește soluție hipotonă.

În cazul în care concentrațiile de sare din interiorul și din afara celulei sunt egale (aproximativ 1%), soluția este izotonă. Într-o astfel de soluție, osmoza nu are loc (concentrația de solvit este la fel).

Figura 3.4 Procesul de osmoză în diferite medii.

3. Difuziunea facilitată permite deplasarea anumitor molecule dintr-o zonă cu concentrație mare spre o zonă cu concentrație mică, cu ajutorul proteinelor de transport. Numărul lor determină rata cu care are loc acest proces. De exemplu, glucoza difuzează în hematii prin difuziune facilitată.

4. Transportul activ reprezintă o modalitate suplimentară prin care substanțele pot fi transportate prin membrana plasmatică cu ajutorul proteinelor transportoare, dintr-o zonă cu concentrație mică spre o zonă cu concentrație mare (împotriva gradientului de concentrație). Este un mecanism care necesită energie furnizată de ATP (adenozin trifosfat), iar rata transportului activ este limitată de numărul de proteine transportoare. De exemplu, întâlnim transportul activ în celula nervoasă în transportul ionilor de sodiu în afara celulei, unde există deja o concentrație mare din acest ion sau în procesul de reabsorbție a sărurilor la nivelul tubilor renali.

5. Endocitoza modalitate de transport prin membrana celulară în cursul căreia o porțiune din aceasta se pliază și înglobează particule sau volume mici de lichid de la suprafața celulei. Ulterior, membrana se va închide, va delimita o veziculă care se va desprinde și va migra în citoplasmă. În funcție de natura particulelor înglobate, procesul se diferențiază în: fagocitoză – pentru particule solide și pinocitoză – pentru picături de lichide. Exemple de astfel de procese: ingestia bacteriilor de către leucocite (globule albe).

Figura 3.5 Tipuri de endocitoză: pinocitoza și fagocitoza.

6. Exocitoza, proces opus endocitozei, care constă în migrarea veziculelor citoplasmatice delimitate de membrană care fuzionează cu membrana plasmatică, din interiorul celulei în exteriorul ei. Porțiunea care fuzionează, se rupe și determină împrăștierea conținutului vezicular în mediul extern al celulei. Este un proces care prezintă importanță în mișcarea moleculelor în celulele secretoare. Exocitoza o întâlnim în: secreția hormonilor de la nivelul celulelor endocrine, eliberarea neurotransmițătorilor de la nivelul terminațiilor celulelor nervoase, secreția de mucus de către celule în diferite organe.

3.4. Celulele și energia

Menținerea organizării moleculelor și a celulelor necesită energie, pentru ca viața să poată exista. Conform fizicii, energia se definește prin capacitatea de a efectua o activitate, care în această situație se traduce prin continuarea vieții celulare și umane.

Practic, atunci când în organism se desfășoară o reacție chimică, aceasta implică schimb de energie, care în general, este însoțită și de o pierdere de energie care poate fi măsurată. Explicația reiese dintr-o lege a termodinamicii din a cărui enunț se deduce faptul că energia dintr-un sistem închis (cum ar fi celula), scade în mod continuu. Astfel, compensator, celulele necesită energie furnizată pe cale alimentară.

Pentru majoritatea reacțiilor chimice este necesară energie, deoarece reactanții chimici nu interacționează în mod automat între ei, precum nici degradarea lor nu este spontană. Pentru inițierea unei reacții chimice este nevoie de o cantitate de energie, denumită energie de activare. De exemplu, pentru a favoriza reacția chimică dintre oxigen și hidrogen cu obținerea apei de la nivelul mitocondriei, este necesară o energie de activare.

În situația în care, în urma unei reacții chimice se eliberează energie, reacția este exergonică. În această situație produșii de reacție au o încărcătură energetică inferioară reactanților. În cazul celorlalte reacții chimice – reacții endergonice, energia se obține din alte resurse și este depozitată în diverse forme. Natura energiei de activare necesară pentru declanșarea uneia dintre reacțiile de mai sus, poate fi chimică sau termică.

Reacțiile chimice care au nevoie de energie de activare, se pot desfășura prin catalizatori biologici, denumiți enzime. Acestea sunt proteine care de fapt accelerează reacția chimică, însă fără a suferi modificări. Cu alte cuvine, enzimele scad valoarea energiei de activare necesare desfășurării unei reacții chimice.

Fiecare enzimă catalizează doar o singură reacție, astfel încât în celulă se găsesc mii de enzime diferite care intervin în catalizarea aceluiași număr de reacții chimice.

Substrat – substanța asupra căreia acționează enzima.

Produși finali – produșii de reacție rezultați în urma unei reacții catalizate de o enzimă.

Zonă activă – o porțiune cheie din enzimă care interacționează cu substratul, cu scopul de a forma produși finali. După formarea acestora, ei se vor detașa de enzimă, urmând ca aceasta să poată participa la o altă reacție chimică.

Figura 3.6 Activitatea enzimatică.

În general, denumirea enzimelor are terminația „-ază”. Exemple: catalaza (enzimă ce intervine în degradarea apei oxigenate (peroxidul de hidrogen) în apă și oxigen; amilaza, hidrolaza, peptidaza, kinaza.

În general, reacțiile enzimatice au loc în câteva milisecunde.

Viteza unei reacții enzimatice depinde de anumiți factori, printre care:

• concentrația de substrat;
• aciditatea mediului;
• temperatura mediului. Creșterea temperaturii accelerează reacțiile enzimatice, dar, pe de altă parte, căldura în exces poate denatura proteina (pierde structura fizică).

Calea metabolică reprezintă o serie de reacții chimice care au loc la nivel celular și în cadrul cărora pot conlucra enzimele.

Căile metabolice pot implica:

• catabolism – degradarea sau digestia moleculelor mari;
• anabolism – sinteza de molecule mari.

ATP – adenozin trifosfat, este o substanță chimică care este folosită drept sursă de energie imediată pentru toate celulele organismului. În urma reacțiilor exergonice ale catabolismului, se eliberează energie care este apoi stocată sub formă de molecule de ATP.

O moleculă de ATP este alcătuită din:

• adenină – un inel dublu de atomi de carbon și azot;
• riboză – glucid cu 5 atomi de carbon (pentoză);
• 3 unități fosfat unite printr-o legătură covalentă cu nivel energetic ridicat.

Folosirea unei molecule de ATP pentru furnizarea de energie constă în eliberarea grupării terminale fosfat sub formă de ion fosfat. Acest proces degajă circa 7,3 kcal/ 1 mol ATP, energie disponibilă pentru activitatea celulară.

3.5. Mitoza și reproducerea celulei

Celula vie se diferențiază prin posibilitatea sa de a se reproduce. Procesele de diviziune variază în corpul uman. De exemplu, celulele din tractul gastrointestinal se divid frecvent, comparativ cu sistemul nervos în care procesele de diviziune celulară sunt mai rare. Toate celulele corpului uman se divid, excepție făcând anumite tipuri de celule mature (globulele roșii).

Nucleul, prin structura și conținutul său, este direct implicat în procesul de reproducere celulară.

În alcătuirea materialului nuclear intră:

• proteine (histone);
• ADN – alcătuit din nucleotide legate unele de altele prin legături covalente.

Prin condensarea ADN-ului și înfășurarea anumitor porțiuni din structura sa în jurul complexelor de histone (pentru a obține unități: nucleozomi), se formează un cromozom. În alcătuirea unui cromozom intră milioane de nucleozomi. Prin supraspiralizarea nucleozomilor se înregistrează compactarea suplimentară a ADN-ului care duce la formarea de cromozomi condensați. Prin despiralizarea cromozomilor și faptul că nu se mai pot atinge unul de altul, masa dispersată de ADN și proteinele sale asociate, se va numi cromatină. La nivelul acestor fibre compuse din molecule de ADN și proteine se află informația genetică pentru sinteza proteică.

Ciclul celular

Ciclul celular constă în repetarea creșterii și reproducerii celulare și poate fi împărțit în două perioade principale:

• interfaza – perioada de timp în care au loc toate activitățile specifice unei celule. Procesul de replicare al ADN-ului are loc în cursul acestei faze.
• mitoza – perioada în care ADN-ul celular se împarte în două celule fiice. Procesul de diviziune efectivă a celulei se numește citokineză.

Interfaza ciclului celular se împarte în 3 faze:

• Faza G1 (au loc activități normale ale celulei) – are loc după mitoză și în cursul acesteia are loc sinteza de proteine structurale, enzime și celula crește în dimensiuni. În această perioadă cromozomii sunt sub formă de cromatină despiralizată.
• Faza S (are loc sinteza ADN, a proteinelor și centriolilor) – continuă creșterea celulară, ADN-ul nuclear se replică, iar cromozomii despiralizați nu sunt încă vizibili. În cursul acestui proces fiecare cromozom este copiat cu exactitate așa încât până la finalul fazei S, se obțin câte două cromatide pentru fiecare cromatidă prezentă în faza G1. La nivelul celulelor umane, există 46 de cromozomi (fiecare având câte o cromatidă per cromozom, deci 46 de cromatide) în faza G1. După faza S, acestea prezintă tot 46 de cromozomi (fiecare având câte două cromatide per cromozom, deci 92 de cromatide) atașați de centromer.
• Faza G2 (se formează fusul de diviziune, cromatina începe să se condenseze) – în cursul pregătirii sale pentru mitoză, celula continuă să crească și să funcționeze. În această fază proteinele se organizează cu scopul de a forma filamente alcătuite din microtubuli, denumite fus de diviziune. Acesta este reconstruit la nevoie, pentru fiecare proces de mitoză, urmând ca la finalul acesteia să fie dezasamblat. Materialul genetic este încă sub formă de cromatină și astfel mitoza poate începe.    

Mitoza

Mitoză, provine din latină, unde „mito” semnifică „filament”.

Procesele care au loc în timpul mitozei sunt:

• Materialul nuclear devine vizibil sub formă de 46 de cromozomi.
• Cromozomii se organizează în centrul celulei.
  
• Cromatidele se separă și cele 46 de cromatide (care acum se numesc cromozomi), se deplasează spre fiecare celulă nouă.
  

Mitoza este un proces continuu, dar pentru o mai bună înțelegere a fiecărei etape, din punct de vedere științific s-a recurs la împărțirea ei în 4 faze care se succed astfel:

• profază;
• metafază;
• anafază;
• telofază.

Profaza. Începutul ei este marcat de condensarea cromatinei și formarea de filamente vizibile (profaza timpurie). Din fiecare filament cromozomial există câte două copii care poartă numele de cromatide surori, unite printr-o regiune denumită centromer. În cursul profazei, perechile de cromatide și filamentele fusului de diviziune devin vizibile, nucleolii dispar, membrana nucleară se dezasamblează (profaza târzie).

Tot în cursul profazei, în celula umană, două structuri microscopice (centrioli) migrează către polii opuși ai celulei. Când ajung la poli, aceștia sunt înconjurați de microtubuli radiari, denumiți aster. Filamentele fusului de diviziune se extind spre polii opuși ai celulei. Atașarea cromatidelor de filamentele fusului de diviziune se face pe calea unei structuri din alcătuirea centromerului, denumită kinetocor. La nivelul acestuia se află o proteină motorie care intervine în deplasarea cromozomilor prin celulă. Astfel, toate perechile de cromatide se dispun în planul ecuatorial al celulei (în centrul celulei) și formează placa ecuatorială. Acesta reprezintă finalul profazei.

Metafaza – faza în care perechile de cromatide formează placa ecuatorială sau placa metafazică. La nivelul acesteia, sunt aliniate 92 de cromatide în 46 de cromozomi. Apoi, se produce separarea celor două cromatide surori, rezultând astfel câte un cromozom.

Anafaza. Începutul ei este marcat de clivarea centromerilor și îndepărtarea cromozomilor care rămân în continuare atașați de filamentele fusului de diviziune prin kinetocor. În cursul atracției lor de către filamentele fusului de diviziune spre polii opuși ai celulei, cromozomii iau forma literei „V” deoarece sunt atașați doar în regiunea de mijloc prin centromer, iar capetele sale (telomere) rămân în urmă. Spre fiecare pol al celulei se deplasează câte 46 de cromozomi.

Telofaza. Este faza în care cromozomii ajung la polii opuși ai celulei, apoi se despiralizează și se dispersează cu scopul de a forma mase de cromatină. Tot în cursul telofazei, fusul de diviziune se dezasamblează, nucleolii reapar și învelișul nuclear se reface. Citokineza se finalizează.

Citokineza

Citokineza reprezintă procesul prin care citoplasma se divide și rezultă două celule separate. Începutul ei este marcat prin formarea unui șanț (linie) de clivare la nivelul plăcii ecuatoriale. Membrana plasmatică strangulează citoplasma și în acest fel se formează cele două celule fiice – proces denumit clivaj celular. În timpul acestuia, microfilamentele se contractă și participă la divizarea celulei în două celule fiice.

Mitoza și citokineza sunt două procese care susțin creșterea organismului prin formarea de noi celule, precum și înlocuirea celulelor îmbătrânite sau afectate. Procesele de creștere și reparare sunt complexe, de aceea este esențial controlul mitozei astfel încât să se desfășoare doar la nevoie. Scăparea lui de sub control, de cele mai multe ori cauza fiind o mutație ADN, poate duce la instalarea cancerului. Această patologie se manifestă prin mitoze necontrolate, împreună cu răspândirea în organism a celulelor canceroase care utilizează toate resursele pentru a se înmulți prin mitoze, încât ajung să nu mai aibă o activitate normală.

3.6. Sinteza proteică

Proteinele sunt compuși organici utilizați în organism ca:

• enzime;
• materiale de structură în celulele corpului (proteinele de la nivel intracelular): intră în structura microtubulilor, a microfilamentelor, în anumite părți ale citoscheletului, se află în membrana plasmatică, în membrane intracelulare (de exemplu, RE).

Numeroase proteine sunt distribuite extracelular cu diferite implicații alcătuind:

• hormoni – insulina;
• ligamente și tendoane ale articulațiilor;
• mare parte din păr, unghii, piele.

Componenta structurală cu cea mai mare importanță din alcătuirea unei proteine este secvența în care sunt legați aminoacizii. Ea este determinată de codul genetic din ADN, care constă în ordinea bazelor azotate din structura ADN.

Desfășurarea sintezei proteice depinde de anumite materiale esențiale:

• o rezervă de 20 de aminoacizi care compun majoritatea proteinelor;
• enzime;
• ADN;
• ARN (acid ribonucleic).

ARN-ul prezintă următoarele caracteristici:

• transportă instrucțiuni de la ADN-ul nuclear în citoplasmă (locul de sinteză a proteinelor);
• este similar ADN-ului, cu excepția faptului că glucida ARN-ului este riboza (nu dezoxiriboza), iar nucleotidele ARN au uracil ca bază azotată, nu timina.

ARN-ul se împarte în 4 tipuri care au implicații diferite în sinteza proteică:

• ARN ribozomal (ARNr) – intră în alcătuirea ribozomilor.
• ARN de transfer (ARNt) – se găsește liber în citoplasma celulelor și intervine în transportul aminoacizilor la ribozomi în timpul sintezei proteice.
• ARN mesager (ARNm) – acest tip de ARN primește codul genetic al ADN-ului și îl transportă în citoplasmă. În acest fel transferă informația genetică din molecula de ADN pe ARNm, iar acesta utilizează informația pentru a sintetiza o proteină.
• ARN de reglare (ARNr) – controlează expresia genică și sinteza proteică prin metode aflate încă în cercetare.        

O prezentare generală a procesului de sinteză proteică s-ar traduce prin:

• transcripție în nucleu;
• deplasarea ARNm în citoplasmă;
• translația la ribozomul celulei.

Transcripția

Transcripția reprezintă prima etapă a sintezei proteice care constă în sinteza de ARNm, utilizând secvența de baze azotate ale ADN-ului pentru a determina secvența ARNm. Astfel, în acest proces se sintetizează o catenă de ARNm pe baza complementarității bazelor azotate din ADN. Procesul începe atunci când ARN-polimeraza (enzima) se leagă de una dintre moleculele ADN (matrița) ale dublului helix (cealaltă catenă rămâne dormantă) la locul unde gena va fi exprimată și se deplasează de-a lungul catenei de ADN, citind nucleotidele una câte una. Enzimele selectează nucleotidele disponibile cu baze complementare și le dispun astfel încât să formeze o moleculă de ARNm conform principiului complementarității bazelor azotate. Astfel, dacă în ADN se află citozină, ARN va insera o moleculă de guanină și invers și tot așa pentru fiecare baza azotată. Lanțul de ARNm se extinde până la momentul primirii unui semnal de încheiere a procesului.

Citirea nucleotidelor din catena de ARNm se face în grupe de câte 3, denumite codoni. Un exemplu de codon este: CGA (citozină-guanină-adenină) sau orice altă combinație din cele 4 nucleotide. Atunci când sinteza ARNm este completă, molecula acestuia traversează un por al membranei nucleare, ajungând în citoplasmă, la ribozomi. Între timp, molecula de ADN se răsucește la loc și reformează un dublu helix.

Figura 3.10 Procesul de transcripție din cursul sintezei proteice. (Completare: Capătul 5' al ARN-ului mesager transcris se îndreaptă spre citoplasmă)

Translația

Translația reprezintă o etapă a sintezei proteice în care codul genetic este „decodificat” într-o secvență de aminoacizi din proteină. Procesul începe prin atașarea moleculei de ARNm la ribozom. Între timp moleculele de ARNt se atașează de aminoacizii specifici pe care îi transportă la ribozomi, cu scopul de a întâlni ARNm.

Odată ajunsă la ribozomi, molecula de ARNm își expune bazele în seturi de câte 3 (codoni). O moleculă de ARNt are un anticodon care se împerechează cu bazele din codonul complementar. Când codonul moleculei de ARNm își întâlnește anticodonul de pe molecula de ARNt, bazele lor se împerechează. Ulterior, următorul codon al ARNm se împerechează cu anticodonul complementar ARNt. Aminoacidul purtat de a doua moleculă de ARNt este poziționat lângă primul aminoacid, iar primul aminoacid este legat de al doilea cu ajutorul unei enzime ribozomale. Prima moleculă de ARNt revine apoi în citoplasmă pentru a căuta alt aminoacid.

După ce primul aminoacid este plasat în continuarea celui de-al doilea aminoacid și primul ARNt se îndepărtează, ribozomul se deplasează pe ARNm cu un codon. Un al treilea ARNt cu aminoacidul său leagă următorul codon. Ribozomul deplasează peptidul alcătuit din primii doi aminoacizi pentru a putea atașa un al treilea aminoacid, adus de o altă moleculă de ARNt. Ulterior, al doilea ARNt pleacă în căutarea unui alt aminoacid, iar ribozomul se deplasează pe ARNm cu încă un codon. Acest proces continuă, adăugând lanțului peptidic câte un singur aminoacid până se întâlnește un codon stop. Există 3 codoni stop care nu codifică aminoacizi. Aceștia intervin în semnalizarea ribozomului să oprească adăugarea aminoacizilor când proteina este completă.

După ce a fost sintetizată, proteina este îndepărtată din ribozom pentru a fi procesată în continuare. Aceasta poate suferi modificări în aparatul Golgi și depozitată apoi în veziculele secretoare înainte de a fi eliberată de celulă, ar putea fi trimisă lizozomilor unde servește ca enzimă digestivă sau poate funcționa drept component structural celular.

Molecula de ARNm este degradată, iar nucleotidele sale se îndreaptă către nucleu.

Moleculele de ARNt așteaptă în citoplasmă să se unească cu noi molecule de aminoacizi, iar ribozomii anticipează sosirea unei molecule de ARNm pentru a sintetiza o nouă proteină.

Figura 3.11 Procesul de translație din cursul sintezei proteice.

Controlul genetic

Celula nu produce în mod permanent toate tipurile de proteine, ci expresia genică este sub control și reglată de celulă. De exemplu, o anumită enzimă digestivă va fi produsă doar atunci când se consumă un anumit tip de aliment.

Mai mult decât atât, anumite celule intervin în sinteza doar a anumitor tipuri de proteine. De exemplu, o celulă pancreatică produce hormonul insulină în cantitate mare, însă o celulă cerebrală nu produce acest hormon.

Controlul expresiei genice apare doar la câteva niveluri în celulă. De exemplu, genele sunt ținute sub control în timpul mitozei, deoarece cromozomul este compactat și supraspiralizat, iar această supraspiralizare controlează accesul la gene.

Controlul genic poate să apară în timpul transcripției sau după aceasta. În transcripție, anumite segmente de ADN controlează activitatea genelor din apropiere, modificând transcripția genică. După ce aceasta a avut loc, molecula de ARNm se modifică pentru a regla activitatea genică. Spre exemplu, s-a descoperit că molecula de ARNm are mai multe secvențe intercalate, necodante, numite introni. Aceștia nu dețin nicio informație genetică privind sinteza proteică, însă se întâlnesc în toate celulele umane. Intronii sunt îndepărtați în momentul în care este produsă molecula de ARNm final. Părțile care rămân din ARNm (exoni) sunt unite pentru a forma molecula finală de ARNm. Exonii reprezintă regiunile funcționale din structura genelor folosite efectiv pentru codificarea proteinelor unei celule. Aceștia sunt aproximativ 5% din tot materialul genetic al unei celule umane și constituie partea exprimată a genomului uman. Dacă s-ar îndepărta intronii și ar rămâne exonii, celula modifică mesajul primit de la ADN și controlează expresia genică. De asemenea, și ARN-urile de reglare controlează expresia genică.