Niveluri de organizare a viețuitoarelor
Materia vie este organizată și structurată pe baza unei ierarhii de la mic la mare.
Atomul este cea mai mică unitate constitutivă a materiei comune care are proprietățile unui element chimic. Atomul se compune dintr-un nucleu înconjurat de electroni. Atomii formează molecule.
Molecula e cea mai mică parte dintr-o substanță care păstrează compoziția procentuală și toate proprietățile chimice ale acelei substanțe. O moleculă este o structură chimică formată din cel puțin doi atomi menținuți împreună de o legătură chimică.
Macromoleculele sunt molecule mari, importante din punct de vedere biologic, care se formează de obicei prin combinarea unor unități mai mici numite monomeri. Un exemplu de macromoleculă este acidul dezoxiribonucleic (ADN) care conține instrucțiunile pentru funcționarea organismului ce îl conține.
Toate formele de materie vie sunt alcătuite din celule. Celula este cea mai mică unitate structurală și funcțională a materiei vii. Majoritatea celulelor sunt atât de mici încât nu pot fi vizualizate cu ochiul liber. Prin urmare, oamenii de știință trebuie să folosească microscoape pentru a studia celulele.
Teoria celulară unificată afirmă că toate organismele sunt compuse din una sau mai multe celule, celula este unitatea de bază a vieții, iar celulele noi apar din celulele existente. Această cerință este motivul pentru care virusurile nu sunt considerate vii: nu sunt compuse din celule. Pentru a produce noi virusuri, acestea trebuie să invadeze și să deturneze o celulă vie; numai așa pot obține materialele de care au nevoie pentru a se reproduce.
Unele celule conțin agregate de macromolecule înconjurate de membrane; acestea se numesc organite („organ mic”). Organitele sunt structuri mici care există în interiorul celulelor și îndeplinesc funcții specializate.
Unele organisme sunt unicelulare iar altele sunt pluricelulare. Celulele sunt clasificate ca procariote sau eucariote. Procariotele sunt organisme unicelulare care nu au nici organite înconjurate de o membrană, nici nuclee înconjurate de membrane nucleare. Spre deosebire de procariote, celulele eucariotelor au atât organite înconjurate de membrane, cât și nuclee. Figura 2.1 ilustrează dimensiunile relative ale celulelor și componentelor lor.
În majoritatea organismelor pluricelulare celulele se combină pentru a forma țesuturi, care sunt grupuri de celule similare ce îndeplinesc aceeași funcție.
Organele sunt colecții de țesuturi grupate împreună pe baza unei funcții comune. Organele sunt prezente nu numai la animale, ci și la plante.
Un sistem de organe este un nivel superior de organizare care constă din organe legate funcțional. De exemplu, animalele vertebrate au multe sisteme de organe, cum ar fi sistemul circulator care transportă sângele în tot corpul și către și de la plămâni și include organe precum inima și vasele de sânge.
Organismele sunt entități vii individuale. De exemplu, fiecare copac dintr-o pădure este un organism. Procariotele (unicelulare) și eucariotele unicelulare sunt, de asemenea, considerate organisme și sunt denumite de obicei microorganisme.
Figura 2.1: Dimensiunile relative ale celulelor si componentelor lor.
Structura și funcționarea celulei
Procariotele sunt predominant organisme unicelulare din domeniile Bacteria și Archaea. Toate procariotele au o membrană plasmatică, citoplasmă, ribozomi, un perete celular, ADN și nu au organite delimitate de membrană. Multe dintre ele au și capsule de polizaharidă. Celulele procariote au un diametru cuprins între 0,1-5,0 μm.
Comparativ cu celulele procariote, celulele eucariote (Figura 2.2) au următoarele componente: 1) un nucleu delimitat de o membrană; 2) numeroase organite delimitate de membrane cum ar fi: reticulul endoplasmatic, aparatul Golgi, cloroplastele, mitocondriile și altele; și 3) mai mulți cromozomi în formă de tijă. Deoarece nucleul unei celule eucariote este înconjurat de o membrană (adică ADN-ul său este înconjurat de o membrană), celula eucariotă are un „nucleu adevărat”. Celulele eucariote tind să fie de 10 până la 100 de ori mai mari decât celulele procariote.
Celulele animale au, de asemenea, un centrozom și lizozomi. Centrozomul are două corpuri numite centrioli, cu un rol necunoscut în diviziunea celulară. Lizozomii sunt organitele digestive ale celulelor animale.
Celulele vegetale au un perete celular, cloroplaste și un vacuol central. Peretele celular al plantei, a cărui componentă principală este celuloza, protejează celula, îi oferă suport structural și îi conferă formă. Fotosinteza are loc în cloroplaste. Vacuolul central se extinde, mărind celula fără a fi nevoie să producă mai multă citoplasmă.
Celulele animale comunică prin matricile lor extracelulare și sunt conectate între ele prin joncțiuni strânse, desmosomi și joncțiuni gap. Celulele vegetale sunt conectate și comunică între ele prin plasmodesme.
Figura 2.2: (a) O celulă animală tipică; (b) o celulă vegetală tipică; (c) o celulă umană tipică.
Membrana plasmatică
Similar procariotelor, celulele eucariote au o membrană plasmatică care separă conținutul intern al celulei de mediul înconjurător. Membrana plasmatică este compusă dintr-un strat dublu de fosfolipide ale căror cozi hidrofobe de acizi grași sunt în contact unele cu altele. O fosfolipidă este o moleculă lipidică cu două lanțuri de acizi grași și o grupare fosfat. Suprafața membranei este împânzită cu proteine, dintre care unele acoperă toată membrana. Membrana plasmatică controlează trecerea moleculelor organice, a ionilor, a apei și a oxigenului în și din celulă. Deșeurile (precum dioxidul de carbon și amoniacul) părăsesc celula trecând, de asemeni, prin membrana plasmatică.
Membranele plasmatice ale celulelor specializate în absorbție se pliază în niște forme asemănătoare degetelor care se numesc microvili. Astfel de celule acoperă de obicei intestinul subțire, organul care absoarbe nutrienții din alimentele digerate. Persoanele cu boală celiacă au un răspuns imun la gluten, care este o proteină din grâu, orz și secară. Răspunsul imun dăunează microvililor și, astfel, persoanele afectate nu pot absorbi nutrienții. Acest lucru duce la malnutriție, crampe și diaree. Pacienții care suferă de boala celiacă trebuie să urmeze o dietă fără gluten.
Citoplasma
Citoplasma este întreaga regiune a celulei cuprinsă între membrana plasmatică și învelișul nuclear. Citoplasma este alcătuită din: organite, citoschelet și diferite substanțe chimice. Organitele sunt suspendate într-o substanță asemănătoare cu un gel care se numește citosol. Deși citoplasma conține 70 până la 80 la sută apă, ea are o consistență semi-solidă, care este datorată proteinelor din interiorul ei.
Proteinele nu sunt singurele molecule organice din citoplasmă. În citoplasmă se mai găsesc: glucoză, zaharuri simple, polizaharide, aminoacizi, acizi nucleici, acizi grași și derivați de glicerol. Tot în citoplasmă se dizolvă ionii de sodiu, potasiu, calciu și ai altor elemente. Citoplasma este locul în care au loc numeroase reacții metabolice, printre care sinteza proteinelor.
Nucleul
Nucleul este considerat cea mai importantă organită a unei celule (Figura 2.3). Nucleul găzduiește ADN-ul celulei și supervizează sinteza ribozomilor și proteinelor.
Figura 2.3: Nucleul stochează cromatina (ADN plus proteine) într-o substanță asemănătoare cu un gel, care se numește nucleoplasmă. Nucleolul este o regiune condensată a cromatinei în care are loc sinteza ribozomilor. Marginile nucleului se numesc înveliș nuclear. Acesta este compus din două straturi fosfolipidice: o membrană exterioară și una interioară. Membrana nucleară se continuă cu reticulul endoplasmatic. Porii nucleari permit substanțelor să intre și să iasă din nucleu.
Învelișul nuclear
Învelișul nuclear este o structură cu membrană dublă care constituie partea exterioară a nucleului. Ambele membrane (interioară și exterioară) ale învelișului nuclear sunt straturi fosfolipidice. Învelișul nuclear este punctat cu pori care controlează trecerea ionilor, moleculelor și ARN-ului între nucleoplasmă și citoplasmă. Nucleoplasma este fluidul semisolid din interiorul nucleului, unde se găsesc cromatina și nucleolul.
Cromatina și cromozomii
Pentru a înțelege cromatina, este util să explorăm mai întâi cromozomii, i.e. structurile nucleare alcătuite din materialul ereditar numit ADN. La procariote, ADN-ul este organizat într-un singur cromozom circular. La eucariote, ADN-ul este organizat în mai mulți cromozomi cu structură liniară. Fiecare specie eucariotă are în nucleul fiecărei celule un număr specific de cromozomi. De exemplu, omul are 46 de cromozomi, în timp ce musculița de oțet (Drofophila melanogaster) are doar 8. Cromozomii sunt vizibili și se disting unul de celălalt numai atunci când celula se pregătește să se dividă. În timpul fazelor de creștere și întreținere ale ciclului celular, proteinele se atașează de cromozomi și arată ca o grămadă de fire subțiri deșirate și amestecate. Acest complex proteine-cromozomi derulați poartă numele de cromatină. Cromatina reprezintă materialul din care sunt alcătuiți cromozomii atât în starea lor condensată, cât și în cea decondensată.
Nucleolul
Unii cromozomi au secțiuni de ADN care codifică ARN-ul ribozomal. În nucleu există o zonă de culoare întunecată numită nucleol unde ARN-ul ribozomal este agregat cu proteinele asociate lui ducând la formarea subunităților ribozomale, care sunt apoi transportate prin porii anvelopei nucleare către citoplasmă.
Ribozomii
Ribozomii sunt structurile celulare responsabile de sinteza proteinelor. La microscopul electronic ribozomii apar fie ca grupuri (poliribozomi), fie ca niște puncte mici, izolate, care plutesc liber în citoplasmă. Ei pot fi atașați de partea citoplasmatică a membranei plasmatice, de partea citoplasmatică a reticulului endoplasmatic sau de membrana exterioară a învelișului nuclear. Microscopia electronică arată că ribozomii, care sunt complexe mari de proteine și de ARN, constau din două subunități: subunitatea mare și subunitatea mică.
Ribozomii își primesc „ordinele” de sinteză a proteinelor de la nucleu, acolo unde ADN-ul este transcris în ARN mesager (ARNm). ARNm-ul se deplasează către ribozomi, care traduc codul reprezentat de secvența de baze azotate din „rețeta” de ARNm într-o secvență de aminoacizi, care este asamblată într-o anumită proteină. Aminoacizii sunt elementele constitutive ale proteinelor. Deoarece sinteza proteinelor, printre care enzime, hormoni, anticorpi, pigmenți, componente structurale și receptori de suprafață, este o funcție esențială a tuturor celulelor, practic fiecare celulă are ribozomi. Ribozomii sunt deosebit de abundenți în celulele care sintetizează cantități mari de proteine. De exemplu, pancreasul este responsabil pentru crearea mai multor enzime digestive iar celulele care produc aceste enzime conțin numeroși ribozomi.
Figura 2.4: Subunitatea mare (sus) și subunitatea mică (jos) ale unui ribozom. În timpul sintezei proteinelor, ribozomii asamblează aminoacizii în proteine.