Mitocondriile
Mitocondriile (Figura 2.5) sunt organite cu formă ovală și membrană dublă care au ribozomi și ADN proprii. Fiecare membrană este un strat fosfolipidic dublu împânzit cu proteine. Stratul interior al membranei are niște pliuri numite criste. Zona înconjurată de pliuri se numește matrice mitocondrială. Crista și matricea au roluri diferite în respirația celulară.
Mitocondriile celulelor vegetale și anImale sunt numite adesea „uzine” sau „fabrici de energie” deoarece ele sunt responsabile de fabricarea substanței numită adenozină trifosfat (ATP), care este principala moleculă purtătoare de energie a celulei. Moleculele de ATP reprezintă energia celulei stocată pe termen scurt. ATP este produsă prin procesul de respirație celulară, pe baza energiei chimice din glucoză și alți nutrienți. În mitocondrii, acest proces folosește oxigen și produce rezidual dioxid de carbon. Astfel, dioxidul de carbon pe care îl expirăm la fiecare respirație este tocmai dioxidul de carbon rezidual al reacțiilor celulare. Trebuie subliniat că celulele musculare au o concentrație ridicată de mitocondrii producătoare de ATP. Celulele musculare umane au nevoie de o cantitate considerabilă de energie pentru a menține corpul în mișcare. Dacă aceste celule nu primesc suficient oxigen, atunci ele nu pot produce o cantitate suficientă de ATP. În absența oxigenului, celulele musculare produc acid lactic și doar o cantitate mică de ATP.
Figura 2.5: O mitocondrie văzută printr-un microscop electronic. Această organită are o membrană exterioară și o membrană interioară. Membrana interioară conține niște pliuri numite criste care îi măresc suprafața. Spațiul dintre cele două membrane se numește spațiu intermembranar iar spațiul din interiorul membranei interioare se numește matrice mitocondrială. Sinteza ATP are loc la nivelul membranei interioare (credit: modificare a unei lucrări produsă de Matthew Britton; date scalate de Matt Russell).
Peroxisomii
Peroxisomii sunt organite mici, rotunde, înconjurate de membrane unice. Ei participă la reacțiile de oxidare care descompun acizii grași și aminoacizii. De asemenea, peroxisomii detoxifică multe otrăvuri care pot ajunge în organism. Multe dintre aceste reacții de oxidare eliberează peroxid de hidrogen (H2O2) care poate deteriora celulele; totuși, dacă reacțiile de oxidare sunt limitate la peroxizomi, enzimele descompun în siguranță H2O2 în oxigen și apă. În acest mod este detoxificat alcoolul de către peroxizomii celulelor hepatice.
Glioxizomii sunt niște peroxizomi specifici celulelor vegetale. Ei sunt responsabili de transformarea în zaharuri a depozitelor de grăsime. Celulele vegetale conțin mai multe feluri de peroxizomi care sunt implicați, printre altele, în metabolism, apărarea împotriva patogenilor și răspunsul la stres.
Veziculele și vacuolele
Veziculele și vacuolele sunt niște saci legați de membrană care au rol de depozitare și transport. Pe lângă faptul că vacuolele sunt ceva mai mari decât veziculele, există o distincție foarte subtilă între ele. Membranele veziculelor se pot contopi fie cu membrana plasmatică, fie cu membranele altor sisteme din celulă. În plus, unii agenți precum enzimele din vacuolele plantelor pot descompune macromolecule. Membrana vacuolului nu fuzionează cu membranele altor componente celulare.
Sistemul endomembranar
Sistemul endomembranar (endo „în interior”) este o grupare de membrane și organite ale celulelor eucariote care funcționează împreună pentru a modifica, ambala și transporta lipidele și proteinele membranare. Sistemul endomembranar cuprinde: învelișul nuclear, lizozomii, veziculele, reticulul endoplasmatic, aparatul Golgi și membrana plasmatică. Deși, tehnic, membrana plasmatică nu se găsește în interiorul celulei, ea este inclusă în sistemul endomembranar deoarece ea interacționează cu celelalte organite endomembranare. Nici mitocondriile, nici membranele cloroplastice nu fac parte din sistemul endomembranar.
Reticulul endoplasmatic (ER)
Reticulul endoplasmatic (ER) este format dintr-o serie interconectată de saci membranari și tubuli care îndeplinesc rolul colectiv de a modifica proteine și a sintetiza lipide. Aceste două funcții sunt exercitate în zone separate ale reticulului endoplasmatic, mai exact în zonele ER denivelat și ER neted. Porțiunea goală a tubulilor ER-ului se numește lumen sau spațiu cisternal. Membrana ER-ului, care este un strat strat fosfolipidic încorporat cu proteine, se continuă cu învelișul nuclear.
- Reticulul endoplasmatic denivelat (RER)
Numele reticulului endoplasmatic denivelat (RER) vine de la aspectul său „împânzit” când este vizionat printr-un microscop electronic, aspect datorat ribozomilor, care sunt atașați de suprafața sa citoplasmatică. Ribozomii transferă proteinele pe care tocmai le-au sintetizat în lumenul RER, unde acestea vor suferi modificări structurale, cum ar fi plierea sau dobândirea lanțurilor laterale. Aceste proteine modificate se încorporează apoi în membranele celulare – ale ER-ului celulei sau ale ER-ului altor organite. De asemenea, anumite proteine (cum ar fi hormoni proteici, enzime) pot fi secretate din celulă. RER produce și fosfolipide pentru membranele celulare. Dacă fosfolipidele sau proteinele modificate nu trebuie să rămână în RER, ele vor ajunge la destinațiile lor finale prin intermediul unor vezicule de transport care înmuguresc din membrana RER. Deoarece RER este implicat în modificarea unor proteine (precum enzime) care sunt secretate din celulă, ipoteza că RER este abundent în celule care secretă proteine este corectă. Acesta este, de exemplu, cazul celulelor hepatice. - Reticulul endoplasmatic neted (SER)
Reticulul endoplasmatic neted (SER) se află în continuarea RER, dar are foarte puțini ribozomi (chiar deloc) pe suprafața sa citoplasmatică. Funcțiile SER sunt: sinteza carbohidraților, lipidelor și hormonilor steroizi; detoxifierea corpului de medicamente și otrăvuri; și stocarea ionilor de calciu. În celulele musculare există un SER specializat, numit reticul sarcoplasmatic, care este responsabil cu stocarea ionilor de calciu necesari pentru declanșarea contracțiilor coordonate ale acestor celule.
Aparatul Golgi
Veziculele pot înmuguri din reticulul endoplasmatic pentru a-și transporta conținutul în altă parte, dar intrebarea care se pune este unde ajung veziculele la final? Înainte de a ajunge la destinația finală, lipidele sau proteinele din veziculele de transport au nevoie de sortare, ambalare și etichetare, astfel încât să poată ajunge la locul potrivit. Sortarea, etichetarea, ambalarea și distribuirea lipidelor și proteinelor se petrece într-o serie de membrane aplatizate numite aparatul Golgi sau corpul Golgi.
Aparatul Golgi se mai numește fața cis. Partea opusă este fața trans. Veziculele de transport care s-au format din ER se deplasează spre fața cis, fuzionează cu aceasta și își golesc conținutul în lumenul aparatului Golgi. Pe măsură ce proteinele și lipidele se deplasează prin corpul Golgi, acestea suferă niște modificări suplimentare care ajută la sortarea lor. Cea mai frecventă modificare de acest fel este adăugarea unor lanțuri scurte de molecule de zahăr. Apoi, pentru a se putea deplasa la destinațiile lor finale, proteinele și lipidele nou modificate se etichetează cu grupări fosfat sau alte molecule mici. În sfârșit, proteinele modificate și marcate sunt ambalate în vezicule secretoar,e care înmuguresc de pe fața trans a corpului Golgi. Unele dintre aceste vezicule își depun conținutul în diferite părți ale celulei, unde acesta va fi utilizat; alte vezicule secretoare fuzionează cu membrana plasmatică și își eliberează conținutul în afara celulei. Celulele care se angajează într-o activitate secretorie intensă (precum celulele glandei salivare, care secretă enzime digestive, sau celulele sistemului imunitar, care secretă anticorpi) au o abundență de aparate Golgi.
În celulele vegetale, aparatul Golgi are rolul suplimentar de a sintetiza polizaharidele, dintre care unele sunt încorporate în peretele celular iar altele sunt folosite de alte părți ale celulei.
Lizozomii
Pe lângă rolul lor de componentă digestivă și instalație de reciclare a organitelor celulelor animale, lizozomii fac parte din sistemul endomembranar. Lizozomii își folosesc, de asemenea, enzimele hidrolitice pentru a distruge agenții patogeni (organisme cauzatoare de boli) care pot pătrunde în celulă. Un exemplu ilustrativ în acest sens apare la macrofage, un grup de celule albe din sânge care fac parte din sistemul imunitar. Prin procesele de fagocitoză sau endocitoză, o secțiune a membranei plasmatice a macrofagei invaginează (se pliază) și înghite un agent patogen. Secțiunea invaginată, cu agentul patogen în interior, se eliberează apoi de membrana plasmatică și devine o veziculă. Vezicula fuzionează cu un lizozom, după care enzimele hidrolitice ale lizozomului distrug agentul patogen.
Citoscheletul
Dacă ar fi eliminate toate organitele dintr-o celulă, atunci mai rămâne ceva, pe lângă membrana plasmatică și citoplasmă? Răspunsul este afirmativ. În citoplasmă rămân ioni și molecule organice, alături de o rețea de fibre proteice care îndeplinește următoarele roluri: contribuie la menținerea formei celulei, stabilizează unele organite în anumite poziții, permite deplasarea citoplasmei și a veziculelor în interiorul celulei și facilitează mișcarea celulelor înăuntrul organismelor multicelulare. Această rețea de fibre proteice a fost numită de către oamenii de știință citoschelet. Citoscheletul conține trei tipuri de fibre proteice: microfilamente, filamente intermediare și microtubuli.
Microfilamentele
Microfilamentele sunt cele mai înguste fibre proteice din citoschelet. Ele au un diametru de aproximativ 7 nm și sunt alcătuite din două catene de actină, împletite, actina fiind o proteină globulară. Din acest motiv, microfilamentele se mai numesc filamente de actină.
Microfilamentele au rol în mișcarea celulară. Moleculele de ATP furnizează energie actinei pentru a se asambla în forma ei filamentoasă, care servește drept pistă pentru deplasarea unei proteine motorii numită miozină. Aceasta permite actinei să participe la evenimente celulare care presupun mișcare, cum sunt diviziunea celulară eucariotă și fluxul citoplasmatic (mișcarea circulară a citoplasmei celulare în celulele plantelor). Actina și miozina se găsesc din abundență în celulele musculare umane. Mușchii se contractă atunci când filamentele de actină și miozină alunecă unul lângă altul.
Microfilamentele conferă celulei formă și o anumită rigiditate. Ele pot depolimeriza (se pot dezasambla) și se pot reface rapid, permițând astfel celulei să-și schimbe forma și să se deplaseze. Celulele albe din sânge folosesc eficient această proprietate a microfilamentelor pentru a se deplasa la locul unei infecții și a fagocita agentul patogen.
Filamentele intermediare
Filamentele intermediare sunt niște fire proteice fibroase înfășurate împreună. Aceste elemente de citoschelet își iau numele de la faptul că diametrul lor, care este cuprins între 8 la 10 nm, se situează între cel al microfilamentelor și cel al microtubulilor. Filamentele intermediare nu au nici un rol în mișcarea (deplasarea) celulelor. Funcția lor este pur structurală. Filamentele intermediare formează în interiorul celulei o schelă de susținere cu ajutorul căreia celula rezistă la presiunea din exterior și iși menține forma. De asemenea, ele ancorează nucleul și celelalte organite în locurile lor. Filamentele intermediare sunt cel mai divers grup de elemente citoscheletice. În componența lor intră mai multe tipuri de proteine fibroase. Printre ele se numără keratina, care este proteina fibroasă ce întărește părul, unghiile și epiderma.
Microtubulii
După cum sugerează și numele lor, microtubulii sunt niște tuburi mici goale. Pereții microtubulilor sunt alcătuiți din dimeri polimerizați de α-tubulină și β-tubulină, acestea fiind două proteine globulare. Cu un diametru de aproximativ 25 nm, microtubulii sunt componentele cele mai largi ale citoscheletului. Ei ajută celula să reziste la compresiune, oferă o pistă de-a lungul căreia veziculele se pot deplasa prin celulă și trag cromozomii replicați către capetele opuse ale unei celule în curs de divizare. La fel ca microfilamentele, microtubulii se pot dezasambla și reface rapid. Microtubulii sunt elementele structurale ale flagelilor, cililor și centriolilor (cele două corpuri perpendiculare ale centrozomului). În celulele animale centrozomul este centrul de organizare a microtubulilor. Flagelii și cilii celulelor eucariote sunt destul de diferiți structural de cei ai celulelor procariote.
Flagelii și cilii
Flagelii sunt structuri lungi, asemănătoare cu un fir de păr, care se întind de-a lungul membranei plasmatice și ajută întreaga celulă să se deplaseze. Exemple de celule cu flageli sunt: spermatozoizii, Euglena și unele procariote. O celulă poate avea un flagel, câțiva flageli sau poate să nu aibă flageli deloc.
Unele celule prezintă pe suprafața membranei plasmatice niște structuri numite cili. Cilii sunt structuri scurte, asemănătoare cu un fir de păr, care se întind de-a lungul întregii suprafețe a membranei plasmatice, și care fie ajută întreaga celulă să se deplaseze, cum este cazul paramecia, fie deplasează substanțe de-a lungul suprafeței exterioare a celulei. Al doilea scenariu descrie cilii celulelor care căptușesc trompele uterine, cili cu ajutorul cărora ovulul se deplasează spre uter, sau cilii celulelor care căptușesc tractul respirator, cili care capturează particule și le deplasează către nări.
În ciuda diferențelor de lungime și număr, flagelii și cilii au în comun aranjamentul structural al microtubulilor din componența lor, aranjament care se numește „matricea 9 + 2”. Acest nume reflectă faptul că și flagelul și cilul sunt formate dintr-un inel cu nouă microtubuli dubli, care înconjoară centrul inelului, unde se află, de asemenea, un microtubul dublu.
Referințe:
- Fowler, Samantha, et al. Concepts of Biology. OpenStax College, Rice University, 2013. Download for free at: https://openstax.org/details/books/concepts-biology.
- Clark, Mary, Jung Choi, and Matthew Douglas. Biology 2E. 2018. Access for free at https://openstax.org/details/books/biology-2e.