ORGANIZAREA FUNCTIONALA A CELULELOR

Organizarea functionala a celulelor

Cercetarile din domeniul biochimiei, biofizicii si fiziologiei au evidentiat structura heterogena a celulei, prezenta unor cicluri biochimice complexe si a ritmurilor circa-diene, care dovedesc ca celula nu este un sac umplut cu o solutie omogena de enzime, ci un sistem viu, dinamic, cu organizare spatiala si desfasurare temporala. In cadrul ei, se disting, anumite structuri functionale, intelese in sensul unor edificii moleculare care concura la realizarea unei functii.

Structurile functionale de baza sunt: sistemul de membrane, matricea citoplasmatica si granulele refringente.

Fig. nr. - Imaginea celulei animale la microscopul electronic

Sistemul de membrane

Toate organitele celulei sunt delimitate de membrane compuse din lipide si proteine. Aceste membrane alcatuiesc un sistem de membrane, care include: membrana celulara, membrana nucleara, membrana reticulului endoplasmatic, precum si membrane ale mitocondriilor, lizozomilor sau aparatului lui Golgi. Ele au o serie de caracteristici care le aseamana structural si functional.

Caracteristici comune: Limitele dintre compartimentele functionale sunt zone parcurse de fluxuri de molecule, de ioni si apa. Aceste limite sunt denumite membrane fiziologice (fig. nr. 3.3.), iar in termeni medicali "bariere". Morfologic, sunt constituite dintr-o succesiune de patru membrane celulare si de doua membrane bazale.

In timp ce citolema delimiteaza celula de spatiul pericelular sau intercelular, membranele intracelulare delimiteaza nucleul, mitocondriile, sacii golgieni si reticulul endoplasmatic. Ultimele au o suprafata de 10 ori mai mare decat citolema. Toate aceste membrane - prin care se realizeaza "intrarile" si "iesirile" in si din spatiile delimitate - au anumite caracteristici comune:

acelasi tip structural, biochimic, biofizic, morfologic si functional;

permeabilitate selectiva, dinamica, ciclica;

polarizatie electrica ce se poate modifica in stransa dependenta cu variatiile permeabilitatii;

sisteme enzimatice proprii care le confera functiuni metabolice specifice.

Unitatea structurala. Se refera la aspectul sistemului de membrane in imaginea electronomicoscopica, la natura chimica a constituentilor de baza si la raporturile spatiale si temporale dintre diferite categorii de membrane. Unitatii de organizare arhitecturale si chimice ii corespunde unitatea functionala ce caracterizeaza intregul sistem. In cadrul acestora, reticulul endoplasmatic joaca un rol esential in integrarea functionala unitara a celulei (avem in vedere rolul reticulului sarcoplasmatic si al tuburilor transversale in cuplarea excitatiei cu contractia la nivelul fibrelor musculare striate).

In compozitia chimica a membranelor sunt predominante proteinele (20-90 %) si lipidele (15-78 %). Membranele cu lipide sub 20 % se numesc membrane proteice, pe cand membranele ce contin peste 20 % lipide poarta numele de membrane lipidice. Glucidele libere lipsesc din membrane. In totalul lipidelor, predominante (75-80 %) sunt glicerofosfatidele (lecitine, cefaline). Exista doua fractiuni proteice: una proteica membranala asociata polului hidrofil al ambelor fete ale stratului lipidic (intrinseca), care contine 30-40 % aminoacizi polari (exemplu: lizina) si acopera 10 % din suprafata membranei si alta proteica membranala libera, care contine 41-53 % aminoacizi polari si acopera 47 % din ambele fete ale stratului lipidic, deplasandu-se bidirectional prin acesta.

Proteinele membranale libere sunt receptori hormonali, transportori transmem-branali, enzime ale digestiei parietale, enzime translocatoare de ioni, fixatoare de antigeni si imunoglobuline. Ele sunt foarte active si se numesc, genetic, "situs"-uri.

Moleculele de proteine intrinseci si de lipide se deplaseaza in planul pe care il ocupa cu 3, respectiv 2mm/min. Diferenta de difuziune arata ca asociatia lipide-proteine nu este stabila, lipidele alunecand sub proteinele intrinseci.

Eritrocitele si epiteliile entero-colice mai au, peste stratul proteic extern, si un strat glicoproteic, numit glicocalix, respectiv glicoforina.

Cu varsta, compozitia membranelor celulare se schimba. Spre exemplu, sarcolema la sobolan se imbogateste substantial in colesterol, in dauna fosfolipidelor, in primele 28 luni de existenta.

La microscopul electronic, citolema, ca si endomembranele, ne apare cu o structura trilaminara continua: doua straturi opace separate de un strat clar. Grosimea membranelor celulare variaza intre 60 si 100 Å, iar distanta dintre membranele celulare adiacente este de 200 Å, fiind ocupata cu plasma interstitiala. Dar, intre zonele apicale ale citolemelor vecine (exemplu, epiteliul colecistului) sau chiar pe toata suprafata lor (ca la endoteliile vaselor barierei hematoencefalice) straturile electrono-opace extreme se alipesc, rezultand structuri pentalaminare, denumite membrane ocludente. Acestea au o rezistenta electrica mai mica (0,1 - 0,5 W/cm²) decat cea dintre membranele distantate (420 W/cm²), si, in consecinta, conductanta membranelor ocludente este foarte redusa ( 1000 daltoni), constituind bariere pentru ioni si molecule mici.

Dimpotriva, membranele functionale, permeabile sunt "punti" de 20 - 40 Å, strabatute de canale, prin care celulele astfel unite comunica intre ele. Acestea, reprezinta, de fapt, baza morfologica a secretiei paracrine (fig. nr. 3.4.). Sinapsele sunt tipuri speciale de vecinatati separate de spatii de 200 Å (spatiul intersinaptic).

Datorita diferentelor de pareri privind organizarea membranelor, s-au propus mai multe modele teoretice de membrana: modelul continuu Dawson-Danielli (1943-1956), completat de Robertson (1956), modelele de organizare pe moduli sau subunitati si modelul "in mozaic" (cum este modelul Wallach-Singer, 1966). Dintre acestea, cel mai verosimil, sub aspect termodinamic, pare a fi ultimul.

Fig. nr. 3.5 - Structura lamelara a membranei celulare: modelul propus de Dawson si Danielli: L - fosfolipide; Ch - colesterol si esterii sai; ph- - pol hidrofob; ph+ - pol hidrofil; Pg - proteine lobulare; Pft - proteine filamentoase; e - fata externa a membranei; i - fata interna a membranei.

Elementul comun al acestor modele este matricea lipidica, formata dintr-un dublu strat de fosfolipide cu intercalari de colesterol si sfingomielina. Extremitatile hidrofile (polare) ale fosfolipidelor sunt orientate spre interiorul, respectiv exteriorul celulei. In privinta componentei proteice, parerile sunt impartite. Dupa Dawson si Danielii, ea este in contact continuu (pe toata intinderea membranei) cu extremitatile polare ale fosfolipidelor, ceea ce este in acord cu structura trilaminara continua electronomicroscopica (fig. nr. 3.5.). In completare, Robertson a constatat asimetria proteinelor din cele doua straturi electronoopace. Modelul Dawson-Danielli pare putin verosimil sub aspect termodinamic, la fel ca modelele pe moduli, care sunt considerate asociatii lipoproteice repetabile. Contrar primelor doua categorii de modele, in modelul in mozaic lipoproteic (Wallach si Singer), proteinele structurale (intrinsece, integrate) sunt agregate de molecule care strabat dublul strat lipidic (acopera 10 % din suprafata). Practic, pe ambele fete ale componentei lipidice sunt anexate agregate proteice mici (proteine libere), care "plutesc" pe suprafetele respective (insumat acopera 47 % din cele doua fete ale matricei lipidice). Deci, circa 75 % din cele doua fete ale matricei lipidice sunt "libere" de proteine (fig. nr. 3.6). La temperatura corpului (37°C), matricea lipidica este vascoasa, ca uleiul vegetal (de 100 de ori mai vascoasa decat apa), iar la contactele lipoproteice membrana este rigida. In zonele hidrofile si proteice ale membranei se gasesc cantitati mici de apa (in cavitati de 4 Å) iar intre agregatele de proteina membranala intrinseca se admite existenta unor canale

transmembranale de 3 - 7 Å.

Fig. nr. 3.6. - Model de membrana lipoproteica "in mozaic". A - blocuri flotante de proteine (proteine extrinseci); B - blocuri de proteina membranala; PI - fosfolipide; h - polul hidrofil; I - model de membrana lipidoproteica; II - schema organizarii membranei eritrocitare

In cursul proceselor fiziologice de membrana (starea de excitatie, transportul de molecule), structura spatiala a membranei se modifica.

Componentii chimici ai membranei se reinnoiesc in permanenta, desi structurile raman aceleasi. Sinteza moleculelor noi incepe cu un "semnal de pornire" si se incheie cu un "semnal de oprire", inscrise in genom.

Permeabilitatea selectiva, ciclica. Pe langa rolul separator, inainte prezentat, membranele celulare au si rolul principal de a asigura un schimb permanent dirijat, adecvat de substante intre mediile pe care le delimiteaza. Permeabilitatea, adica usurinta cu care o molecula sau un ion strabate membrana, este diferita chiar si pentru aceeasi membrana, fiind functie de substantele care fac obiectul schimbului (de exemplu, mai redusa pentru ioni). Deci, permeabilitatea membranala este selectiva pentru diferite molecule si ioni, fapt explicat prin asimetria structurala a membranei.

Datorita permeabilitatii selective, membranele se opun nivelarii termodinamice, mentin concentratii diferite in spatiile pe care le separa, desi sunt permanent strabatute de fluxuri bidirectionale (difuziune pasiva si transfer activ).

Capacitatea evidenta a membranelor excitabile (ale neuronului si celulei musculare) de a-si modifica rapid (in milionimi de secunda) si reversibil permeabilitatea pentru ioni releva labilitatea structurii membranei, existenta unor cicluri de permeabilitate si a controlului acestor cicluri.

Polarizatia electrica. Permeabilitatea selectiva mentine concentratii diferite (un gradient chimic) intre mediile separate de membrane. Asa se explica de ce mediul intracelular este de 1,3 ori mai concentrat decat mediul extracelular sau de ce matricea mitocondriala contine mai mult calciu, iar nucleul celular mai mult sodiu decat plasma. Orice modificare de permeabilitate este urmata de modificarea gradientilor chimici, realizandu-se potentiale celulare de concentratie (cu neelectroliti) si potentiale electrochimice (cu electroliti), precum si diferente ale presiunii osmotice. Existenta si dinamica gradientilor chimici determina polarizarea de repaus a membranelor intregului sistem celular (potential de repaus) si variatia lor specifica starilor de activitate (variatii negative, numite potentiale de actiune).

Polarizarea membranelor, aparitia si evolutia potentialelor de actiune au o deosebita importanta fiziologica: ele asigura transmiterea excitatiilor in intregul sistem celular, dar si raspunsul unitar, integrat al acestuia.

Mai trebuie amintit rolul de "recunoastere" al membranelor. in membrana, se gasesc electrofori, care recunosc ionii, pe care ii pot fixa pentru a-i trece prin membrana. Pe masura diferentierii celulare, "recunoasterea" se particularizeaza.

Sistemele enzimatice din membranele celulare. Microscopia electronica, combinata cu citochimia, a evidentiat prezenta a o serie de enzime in membranele celulare, cum sunt acetilcolinesteraza sau ATP-aza. Insa, cele mai caracteristice enzime de aici sunt permeazele, capabile sa asigure transferul de substante prin membrane, ceea ce pune mai degraba problema existentei "enzime-pori"-lor in structura membranelor, decat a unor discontinuitati morfologice (pori).

Dispunerea enzimelor in membranele celulare nu este uniforma. Nu exista o echipotentialitate morfologica si functionala a diferitelor regiuni ale membranei. Membrana celulara este, in fapt, un mozaic heterogen de unitati functionale care determina diferente zonale de permeabilitate membranala.

Fara indoiala, exista structuri distincte ale membranelor diferitelor tipuri de celule, grefate pe modelul comun tuturor celulelor. Tot asa, si mitocondriile prezinta o heterogenitate spatiala privind dispunerea sistemelor enzimatice ale respiratei aerobe (enzimele ciclului Krebs sunt situate in matricea mitocondriala, iar catenele de oxidare si de fosforilare pe membrana interna).

Membranele reprezinta 60-90 % din totalul substantei celulare. Aceasta pondere ne arata dimensiunea apreciabila a celor doua functii de baza ale membranei celulei - transportul activ de substante si transferul de energie - dar si capacitatea acesteia de a inmagazina informatie. In acest mod, membrana joaca un rol nebanuit in coordonarea activitatii celulare, fiind baza moleculara a integrarii celulare.

Membrana celulara. Dupa Palade si Urquhart (1981), membrana celulara este "organul care mediaza si controleaza interactiunile celulei cu toate componentele mediului fie ele molecule mici, molecule mari sau alte celule".

Sub aspect chimic, membrana celulara este formata din lipide, proteine si glucide, fiecare cu anumite functii specifice.

Lipidele membranei celulare. Structura fundamentala a membranei celulare consta dintr-un bistrat lipidic, care se prezinta ca un film lipidic subtire (grosimea a 2 molecule), dispus continuu la periferia celulei. In acest film lipidic se interpun molecule mari de proteine globulare (fig. nr. 3.7.).

Fig. nr. 3.7. - Structura membranei celulare; se observa ca este alcatuita, in principal, dintr-un bistrat lipidic, dar cu un numar mare de molecule proteice ce patrund prin strat. De asemenea, fragmente glucidice sunt atasate de moleculele proteice pe partea externa a membranei, iar moleculele proteice aditionale sunt atasate pe partea interna.

Bistratul lipidic este format numai din colesterol si fosfolipide, ale caror molecule au o parte solubila in apa, hidrofila (radicalii fosfat) si o alta parte solubila numai in lipide, hidrofoba (radicalii acid gras). Portiunile hidrofobe sunt respinse de apa, conferind moleculei capacitatea naturala de a se alinia cu portiunile grase la centru si cu cele hidrofile in contact cu apa inconjuratoare. Bistratul lipidic are, paradoxal, nu un caracter solid, ci unul lichid, ceea ce permite unor portiuni de membrana sa curga de la un punct la altul al membranei. De aceea, unele substante, ca proteinele, difuzeaza pe toata suprafata membranei.

Bistratul lipidic se comporta ca o puternica bariera ce impiedica miscarea libera a apei si a solvitilor intre compartimente. El este impermeabil pentru substantele hidrosolubile, cum sunt ionii, glucoza, ureea etc., dar permite traversarea cu usurinta a substantelor liposolubile, ca O₂, CO₂ sau alcoolul.

Proteinele membranei celulare. Se prezinta ca mase globulare care plutesc in bistratul lipidic, in principal glicoproteine. Acestea sunt de doua feluri: proteine integrale, care traverseaza membrana, si proteine periferice, atasate la fetele membranei, fara sa o strabata. Multe dintre proteinele integrale formeaza canale (pori) prin care pot difuza, selectiv si diferentiat numeroase substante hidrosolubile, in special ioni, iar altele sunt proteine carrier (carausi), care transporta substante in sensul opus gradientului de concentratie. Aceasta difuziune se numeste transport activ. Proteinele periferice se afla preponderent pe fata interna a membranei, fiind atasate de proteinele integrale si avand aproape totdeauna enzime ce catalizeaza numeroase reactii chimice celulare esentiale.

Glucidele membranei - glicocalixul. Se afla in combinatii cu glicoproteine (90 %) si glicolipide (10 %). Partea glucidica a acestora proemina in exterior, deci in afara celulei. Tot asa atarna si multi alti compusi glucidici, ca proteoglicanii. Rezulta ca intreaga suprafata externa a membranei este acoperit cu un invelis glucidic lax denumit glicocalix (fig. nr. 3.8.).

Glicocalixul indeplineste mai multe functii: a) avand incarcatura electrica negativa, confera celulelor suprafete negative care resping corpurile negative din jur; b) se pot atasa intre ele, solidarizand astfel celulele vecine; c) unele grupari glucidice (ex. hormonii) actioneaza ca substante receptoare, activand proteinele integrale, de care se afla atasate, declansand o intreaga cascada de activari enzimatice intracelulare; d) alte substante glucidice participa la reactiile imunologice.

Matricea citoplasmatica fundamentala

Numita si hialoplasma, citoplasma este plina de organite de diverse dimensiuni, de la nanometri la micrometri.

Partea lichida limpede a citoplasmei se numeste citosol. Acesta contine proteine solubile, electroliti, glucoza si cantitati reduse de grasimi. Este o "piata de metaboliti" care asigura activitatea specifica a sistemului membranar, datorita prezentei unor complexe de enzime (cum sunt enzimele glicolizei), ce declanseaza nenumarate acte metabolice, precum si existentei gradientilor chimici si a polarizarii membranelor.

Tot in citoplasma se afla cinci organite de importanta speciala: reticulul endoplasmatic, aparatul Golgi, mitocondriile, lizozomii si peroxizomii.

Reticulul endoplasmatic. Se prezinta ca o retea de structuri veziculare, tubulare si aplatizate, interconectate. Au peretii formati din bistraturi lipidice, cu mari cantitati de proteine, ca membrana celulara. Suprafata sa este de 30-40 ori mai mare decat a membranei celulare (fig. nr. 3.9.). Interiorul reticulului este plin cu un lichid diferit de citosol, numit matricea endoplasmatica. Sub-stantele formate in anumite parti ale celulei intra in reticul, fiind transportate in alte parti ale celulei. De suprafata interioara a reticulului se ataseaza numeroase enzime care joaca un rol important in activitatea metabolica a celulei.

In anumite sectoare ale reticulului, pe fata externa se ataseaza un numar mare de particule mici, granulare numite ribozomi. Aceste sectoare formeaza reticulul endoplasmatic rugos, spre deose-bire de alte sectoare lipsite de ribozomi ce alcatuiesc reticulul endoplasmatic neted, cu rol in sinteza lipidelor si in multiple procese enzimatice celulare.

Aparatul Golgi. Este in stranse relatii cu reticulul endo-plasmatic (fig. nr. 3.10.), avand membrane similare cu acesta. Se prezinta ca un ansamblu de mai multe straturi suprapuse de vezi-cule subtiri, aplatizate, izolate, aflate in vecinatatea nucleului. Din reticulul endoplasmatic se desprind in permanenta mici vezicule de transport care imediat fuzioneaza cu aparatul Golgi. Astfel, se transporta substante intre cele doua organite, care sunt prelucrate in aparatul Golgi, din care se formeaza lizozomii, veziculele secretorii si alti compo-nenti citoplasmatici. Este foarte dezvoltat la celulele secretorii.

Lizozomii. Sunt organite veziculare formate de aparatul Golgi si dispersate in citoplasma. Este un sistem digestiv intracelu-lar (fig. nr. 3.11.), care inlatura substantele nedorite (ex. bacteriile). Este marginit la exterior de un bistrat lipidic membranar tipic, fiind umplut cu numeroase granule mici, agregate proteic de enzimele digestive hidrolitice. Aici s-au gasit peste 50 hidroloze acide diferite, cand descompun in principal proteinele, acizii nucleici, mucopolizaharidele, glicogenul si lipidele.

Mitocondriile. Sunt uzinele energetice ale celulei, deoarece extrag energia din alimente si oxigen si sunt raspandite in toata citoplasma. In functie de nevoile energetice ale fiecarui tip de celule, numarul lor variaza intre o suta si cateva mii.

Mitocondria are ca structura fundamentala (fig. nr. 3.12.) doua membrane proteice cu bistrat lipidic, una interna si alta externa. Membrana interna are anumite creste de care sunt legate enzimele oxidative. Cavi-tatea interna este umpluta cu matrice ce contine mari cantitati de enzime dizolvate, necesare pentru extragerea energiei din principiile alimentare. Cele doua tipuri de enzime coopereaza, catalizand descompunerea alimentelor la CO₂ si H₂O, cu eliberare de energie, utilizata la sinteza unei substante macroergice, numita adenozintrifosfat (ATP). Acesta este transportat in afara mitocondriei, difuzand peste tot in celula, spre a elibera energia acolo unde este necesara la indeplinirea functiilor celulare.

Peroxizomii. Descrisi ca organite mici in celulele renale si hepatice, delimitate de o simpla membrana, contin o matrice densa, in care se afla, uneori, un corp cristalin. Contin peroxidaze, mai ales catalaze. Formeaza peroxizi folositi de mitocondrii pentru producerea de ATP.

Granulele refrigerente

Din aceasta categorie fac parte: ribozomii, centrozomul celular etc. Sunt struc-turi cu functii importante in sintezele celulare, inmultirea celulelor si in alte acte fiziologice.

Ribozomii. Sunt formati din acid ribonucleic (ARN) si proteine. Au rol in biosinteza proteinelor celulare.

Centrozomul celular. Este o microstructura dinamica implicata in diviziunea celulara. Initial, in diviziune apar doi centrioli care se indeparteaza intre ei si in jurul fiecaruia se formeaza o stea de raze (de natura proteica) numita aster, localizati la polii celulei. Unele raze penetreaza nucleul, avand rol in separarea celor doua cromatide in timpul mitozei. Cele doua astere se contopesc si formeaza fusul de difuziune (mitotic). Cromatidele sunt trase de catre microtubulii atasati si se vor alinia regulat in centrul celulei, formand placa ecuatoriala a fusului de difuziune. Apoi, fusul mitotic se concentreaza la polii celulei din nou in cele doua mase reprezentate de centrioli.

Nucleul celular

Este considerat centrul de control al celulei. El contine cantitati mari de ADN, pe care le-am denumit gene. Rolul lor este de a determina caracteristicile proteinelor - enzime citoplasmatice, controland astfel activitatea citoplasmei. Genele controleaza reproducerea. In cursul diviziunii celulare, genele se divid in doua seturi, cate unul in fiecare celula rezultata din mitoza.

La microscopul optic, nucleul aflat in stadiu de repaus (interfaza), prezinta (fig. nr. 3.13.) o cromatina de culoare inchisa, raspandita peste tot in nucleoplasma. In diviziunea celulara (mitoza) ea devine vizibila, usor de identificat, prezentandu-se ca formatiuni globulare bine structurate, numite cromozomi.

Invelisul nuclear, numit si membrana nucleara, consta in fapt din doua membrane separate, una in interiorul celeilalte. Cea exterioara se afla in continuarea reticulului endoplasamatic. Deci, aceasta membrana are aspectul unei anvelope nucleare, care este strabatuta de cateva mii de pori nucleari, relativ mari, putand fi traversati foarte rapid de molecule cu greutatea sub 15.000.

In interiorul nucleului se afla unul sau mai multi corpusculi slab colorati, numiti nucleoli, care, insa, nu poseda o membrana de separare. Ei sunt o simpla structura bogata in ARN si proteine. Dimensiunile lor cresc odata cu intensificarea sintezei proteice in celula respectiva. Genele a 5 perechi de cromozomi sintetizeaza ADN-ul si il depune in nucleol. Acesta se prezinta initial ca o retea fibrilara laxa de ARN, care ulterior se condenseaza cu proteinele, formand "subunitati" granulare de ribozomi, care trec prin porii membranei nucleare in citoplasma, unde se ansambleaza intre ei, formand ribozomi maturi cu rol esential, cum am vazut deja, in productia de proteine in citosol, cat si in asociere cu reticulul endoplasmatic.