Celula
STRUCTURA ȘI FUNCȚIONAREA CELULEI
1. Ce este celula? Câte tipuri de celule există?
Celula este unitatea de bază anatomică, morfologică și funcțională a tuturor ființelor vii. Aceste noțiuni trebuie explicate: Anatomia este știința care studiază localizarea (adică unde se află) organelor dintr-un corp, Morfologia este știința care studiază forma diferitelor structuri biologice iar Fiziologia este știința care studiază funcționarea componentelor unui organism. În afara virusurilor, toate organismele sunt celulare adică sunt alcătuite din celule.
Cât de mari sunt celulele? Contrar aparențelor, celulele nu sunt întotdeauna extrem de mici. Bineînțeles că majoritatea celulelor sunt mult prea mici pentru a le vedea cu ochiul liber și avem nevoie de microscop pentru a le vedea, dar există și celule gigantice, care se pot vedea cu ochiul liber (unele fibre musculare ating 3-7cm, celulele din fructele citricelor sunt ca niște pungulițe cu suc, iar unele prelungiri ale celulei nervoase pot atinge chiar 1 m). Dimensiunile medii ale celulelor variază între 10-30 μm (1μm - micrometru - reprezintă o miime de milimetru adică o milionime de metru).
Clasificare celulelor se face, primar, după numărul de nuclei. Astfel, există celule fără nucleu, celule cu un nucleu, celule cu doi sau mai mulți nuclei. Celulele care nu au nucleu se numesc procariote, iar cele care au cel puțin un nucleu se numesc eucariote.
A. STRUCTURA CELULEI PROCARIOTE
Celulele procariote sunt primele tipuri de celule care au apărut în istorie. Sunt celule simple, necompartimentate și apar numai la bacterii și algele albastre. Structura lor este simplă și eficace, răspunzând la toate nevoile primare ale unui organism viu. Astfel, aceste celule sunt capabile de hrănire, respirație, excreție, mișcare, apărare și reproducere. Au dimensiuni mici, rar depășesc 3-7 μm și sunt răspândite pe toată suprafața planetei.
Structura unei celule procariote este următoarea:
Secțiune prin celula procariotă
Peretele celular: este asemănător unei cutii rezistente care protejeaza celula din interior de șocuri mecanice și termice. Are ca principal constituent mureina;
Membrana celulară (sau plasmalema): delimitează celula și are rol în schimburile dintre celulă și mediu;
Citoplasma: este substanța fundamentală a celulei, unde au loc toate procesele metabolice.
Ribozomii: granule cu rol în formarea proteinelor;
Nucleoidul (sau cromozomul bacterian): este o moleculă foarte lungă, răsucită și super-răsucită de ADN care constituie centrala informațională a celulei.
Mezozomul: este o invaginare a plasmalemei cu rol în respirație;
Capsula: un înveliș lipo-proteic cu rol deosebit de important în apărarea bacteriei împotriva substanțelor antibiotice.
Mai multe despre forma, proprietățile și tipurile de bacterii puteți citi în topicul dedicat regnului Monera.
STRUCTURA CELULEI EUCARIOTE
Celula eucariotă este celula care are, în mod primar, unul sau mai mulți nuclei. Acesti nuclei sunt observabili la microscop și se colorează cu coloranți bazici. Celulele eucariote sunt compartimentate și fiecare compartiment îndeplinește o funcție specifică. Celulele eucariote sunt cele care formează 99% dintre organismele cunoscute.
Explicații:
Membrana: Este structura care protejează celula de exterior. Este alcătuită din trei straturi, două straturi de fosfolipide (grăsimi care conțin fosfor) între care se află un strat de proteine. Membrana are o structură dinamică, care se schimbă permanent. Lasă să treacă substanțele de care are nevoie celula, dar le blochează pe cele de care nu are nevoie celula.
Citoplasma: Este substanța fundamentală a celulei, cea care o umple la interior. Este alcătuită din diverse soluții în care au loc numeroase reacții chimice în fiecare secundă de viață a celulei. Toate componentele citoplasmei se numesc organite citoplasmatice. Aceste organite pot fi nespecifice (adică sunt comune tuturor celulelor) și organite specifice, care există doar la anumite celule (cum sunt neurofibrilele și corpusculii Nissl ce se găsesc doar în neuron sau miofibrilele, care se găsesc numai în fibrele musculare).
Reticulul endoplasmatic: Este o rețea de canale de diferite grosimi care împânzesc citoplasma. Au rol deosebit de important în transportul substanțelor prin celulă. Poate fi neted sau rugos. Cel rugos are pe pereții externi atașați numeroși ribozomi, iar cel neted nu are.
Ribozomii: Sunt structuri celulare extrem de mici, de ordinul a 10-10 metri. Au fost descoperiți de savantul american de origine română George Emil Palade. Au rol în cuplarea aminoacizilor între ei și formarea proteinelor.
Aparatul Golgi: Se mai numește și dictiozomi și sunt o serie de săculeți aplatizați și suprapuși cu un ax central. Are rol deosebit de important în formarea produșilor de secreție ai celulei (secretă fel de fel de substanțe).
Lizozomii: Sunt vezicule (saculeți) desprinse din aparatul Golgi care poartă în toată celula substanțele pe care le secretă acesta.
Mitocondriile: Sunt organite citoplasmatice extrem de importante cu rol în furnizarea de energie pentru celulă. Sunt sferice sau ovale, cu membrana dublă (membrana externa este netedă, dar cea internă este pliată formând cristele mitocondriale). Substanța fundamentală din mitocondrie se numește matrix (sau matrice mitocondrială). Matrixul are o compoziție foarte asemănătoare cu cea a citoplasmei și în interiorul acestuia se află numeroși ribozomi și una sau mai multe molecule circulare de ADN care reprezintă copii ale aceluiași genom. În interiorul matrixului, dar și pe suprafața cristelor mitocondriale, au loc procesele de oxido-reducere prin care glucoza este redusă la CO2 și H2O și se eliberează energie. Energia este stocată sub formă de molecule de ATP (acid adenozintrifosoric). Mitocondriile sunt organite care se divid independent de celula și totalitatea lor formează condriozomul celulei.
Vacuolele: Sunt componente ale celulei sub forma de saci care conțin, în interiorul lor, diverse produse ale celulei. Unele depozitează substanțe, altele găzduiesc procesele de digestie (vacuolele digestive), altele au rol în excreție etc. Membrana care înconjoară vacuolele este foarte rezistentă și se numește tonoplast.
Nucleul: Este cel mai mare organit citoplasmatic. O celulă poate avea un nucleu (celula uninucleată), doi nuclei (celula binucleată) mai mulți nuclei (celula multinucleată) sau își poate pierde nucleul, la maturitate (celula anucleată). Nucleul este, de obicei, sferic, așezat în centrul celulei și are rol atât de depozit de informație cât și de inițiator al proceselor celulare (dacă facem o analogie între o celulă și un computer, nucleul reprezintă atât hard-diskul cât și procesorul). Nucleul este acoperit de o membrană dublă, perforată, numită cariolemă și conține o substanță fundamentală numită carioplasmă. Componentul principal al carioplasmei este cromatina nucleară, o rețea de firișoare împletite și răsucite. Firișoarele sunt molecule de ADN care conțin toată informația celulei și care, înainte de diviziunea nucleului, se strâng și se înfășoară, formând cromozomii. În interiorul nucleului se poate găsi (sau nu) 1-3 nucleoli. Nucleii sunt organite vizibile cu microscopul optic și poate fi observat comportamentul acestora în diviziunea celulei. Numărul de firișoare de ADN din interiorul cromatinei este o caracteristică de specie, adică fiecare specie are un număr fix de asemenea molecule (de exemplu, omul are 46, crevetele are 86, găina are 78, ursul 74, molia 62, bumbacul 52, tutunul 48, musculița de otet 8 etc.)
Centriolii: Sunt organite pereche din care se va forma, înainte de diviziune, un component principal al acesteia și anume fusul de diviziune. Centriolii se găsesc mereu în apropierea nucleului celulei.
Incluziuni ergastice: Sunt componente ale citoplasmei care apar și dispar în cursul vieții celulare. Majoritatea sunt produse de diversele activități metabolice celulare. Pot fi picături de grăsime, proteine, structuri celulare distruse, pigmenți ș.a.
Celulele plantelor conțin, pe lângă toate aceste organite și o serie de organite specifice doar lor. Este vorba despre plastide:
Plastide active în fotosinteză:
CLOROPLASTELE (de culoare verde)
RODOPLASTELE (de culoare roșie)
FEOPLASTELE (de culoare brună)
Plastide inactive în fotosinteză:
AMILOPLASTE (depozitează amidon)
LEUCOPLASTELE (depozitează proteine)
MINERALOPLASTELE (depozitează compuși anorganici)
Dintre toate acestea, cele mai importante și cele mai des întâlnite sunt, desigur, cloroplastele. Acestea sunt principalele plastide în care are loc procesul de fotosinteză și au rol deosebit de important în hrănirea celulelor vegetale. Cloroplastul are o structură asemănătoare mitocondriei, adică este acoperit de o membrană dublă (dar ambele membrane sunt netede), în interior se află substanța fundamentală numită stroma și conține structuri grunjoase numite grana. Grana este alcătuită din fișicuri de discuri suprapuse care poartă numele de tilacoide în interiorul cărora are loc procesul de fotosinteză. Tilacoidele conțin o substanță colorată (un pigment), de culoare verde, care se numește clorofilă. Aceasta are rolul de a capta energia din lumină și de a bombarda cu electroni moleculele de apă pentru a porni procesul de fotosinteză. Totalitatea cloroplastelor dintr-o celulă formează plastidomul celulei.
Ecuația generală a procesului de fotosinteză este:
CO2 + H2O + lumină ==> glucoză + O2
DIVIZIUNEA CELULARĂ
Celulele se reproduc prin divizare, adică prin împărțire. Diviziunea celulelor apare numai după ce acestea au trăit o anumită perioadă de timp, perioadă în care, prin intermediul metabolismului propriu, își dublează cantitatea de ADN din celulă și acumulează suficiente rezerve în citoplasmă. Fiecare celulă are un ciclu de viață cu o durată bine determinată, după care, dacă nu este frânată de factori interni sau externi, celula se divide.
Diviziunea celulelor este mai mult sau mai puțin complicată, în funcție de modul în care se desfășoară. Poate fi de două feluri:
Diviziunea directă - AMITOZA;
Diviziunea indirectă - CARIOCHINEZA.
AMITOZA
Este diviziunea directă prin care celula se împarte în două, fiecare jumătate rămânând cu o parte din citoplasmă. Este caracteristică celulelor procariote, dar și anumitor celule eucariote. Este de notat că prin astfel de diviziune se divid și celulele canceroase. După cum se poate observa și din imaginea alăturată, celulele care se divid prin amitoză se separă, pur și simplu, în două jumatăți, în general asimetrice. Cele două celule fiice rezultate sunt, de obicei, inegale și au proprietăți diferite. Denumirea diviziunii directe vine din cuvintele grecești a - fără + mitosis - fire. Denumirea vine ca o comparație cu mitoza, care este o diviziune "cu fire".
CARIOCHINEZA
Este cel mai des întâlnit tip de diviziune, în care se divide nucleul înaintea diviziunii propriu-zise a celulei. Caracteristic pentru acest tip de diviziune este că apar niște formațiuni sub formă de bastonașe numite cromozomi.
În funcție de comportamentul cromozomilor în diviziune, cariochineza se poate desfășura prin mitoză sau prin meioză.
Mitoza
Este diviziunea care apare la celulele corpului și în urma căreia rezultă două celule fiice cu același număr de cromozomi. Se desfășoară în mai multe faze: interfaza și diviziunea propriu zisă.
În interfază celula trăiește un timp, crește și se dezvoltă. Acumulează substanțe, astfel încât, la sfârșitul interfazei, cantitatea de citoplasmă este dublă și se dublează, de asemenea, numărul moleculelor ADN. Astfel, celula este pregătita să intre în diviziune.
Diviziunea propriu-zisă cuprinde mai multe faze:
1. Profaza: este prima etapă. În această fază membrana nucleului se dizolvă și dispare, cromatina se condensează. Fiecare moleculă de ADN din structura cromatinei se spiralizează, se înfășoară și formează câte un cromozom bicromatidic. Se formează și fusul de diviziune, alcătuit din doi centri de organizare între care se întind numeroși microtubuli. De fusul de diviziune se prind cromozomii prin intermediul centromerului;
2. Metafaza: cromozomii sunt prinși de firele fusului de diviziune prin intermediul centromerilor și formează, la mijlocul celulei, o structură numită placă ecuatorialăsau placa metafazică. Această placă metafazică ocupă întregul ecuator al celulei, astfel încât cromozomii sunt foarte ușor de observat la microscopul optic. În aceasta fază cromozomii sunt cel mai puternic spiralizați.
3. Anafaza: cromozomii se desprind din placa metafazică și migrează fiecare cromatidă spre polii celulei, trasă de firele fusului de diviziune. Anafaza se consideră momentul în care cromozomii cu o singură cromatidă au ajuns la jumatatea drumului între mijlocul celulei și poli;
4. Telofaza: cromozomii se desprind de fusul de diviziune care se dezagregă și dispare. Cromozomii, ajunși la cei doi poli ai celulei, se despiralizează și formează, la polii celulei, câte un nucleu. În aceasta fază celula are doi nuclei, situați, fiecare, la câte un pol al celulei.
CITOCHINEZA - reprezintă faza de separare a citoplasmelor, faza în care celula se desparte în două celule-fiice care vor avea o viață independentă. Procesul se desfășoară diferit:
la celulele animale: apare o strangulație care se îngustează și astfel se separă cele două celule;
la plante: apare un perete transversal care separă celula în două fragmente egale.
Meioza (diviziunea reducțională)
Este tipul de diviziune specifică celulelor sexuale, dar și altor tipuri de celule, în urma căreia rezultă, dintr-o celulă inițială patru celule-fiice cu cantitatea de ADN redusă la jumatate. Acest tip de diviziune se desfășoară în două etape: o etapă reducțională și o etapă ecvațională, între care se află o scurtă perioadă de pauză numită interchineză:
A. Etapa reducționala (meioza I) se desfășoară în următoarele etape:
PROFAZA I - nucleul celulei dispare, apar cromozomii și se formează fusul de diviziune;
METAFAZA I - fusul de diviziune ocupă întreaga celulă, cromozomii, grupați în tetrade cromozomiale, se prind de fusul de diviziune formând placa ecuatorială;
ANAFAZA I - cromozomii bicromatidici sunt trași spre cei doi poli ai celulei;
TELOFAZA I - cromozomii ajung la polii celulei, se despiralizează și apar două nuclee.
O scurtă perioadă de timp numită interchineză
B. Etapa ecvațională (meioza II) se desfășoară în următoarele etape:
PROFAZA II - nucleul celulei dispare, apar cromozomii și se formeaza fusul de diviziune la fiecare dintre cei doi nuclei rezultați anterior;
METAFAZA II - fusul de diviziune ocupă întreaga celulă, cromozomii se prind de fusul de diviziune formând placa ecuatorială;
ANAFAZA II - cromozomii monocromatidici sunt trași spre cei doi poli ai celulei;
TELOFAZA II - cromozomii ajung la polii celulei, se despiralizează și apar astfel patru nuclee.
Urmează citochineza, în care fiecare dintre cei patru nuclei rezultați se înconjoară de citoplasmă și se formează patru celule cu numărul de cromozomi redus la jumătate.
