Citologie: Structura și funcțiile celulei

Imagine : „Stem Cell” de
PublicDomainPictures. Licență: Public Domain

Definiția celulei

Celula, ca unitate de organizare biologică, este cel mai mic element de bază al tuturor organismelor. Ea este autonomă și îndeplinește funcții esențiale de bază în metabolism, creștere, mișcare, reproducere și ereditate.

Celule eucariote și procariote în comparație

Celele eucariote au o dimensiune de 10-100 µm și posedă un nucleu care conține ADN-ul mai multor cromozomi. În plus față de exoni (ADN codificator), ADN-ul cuprinde mulți introni (gene necodificatoare) care sunt eliminați prin procese precum splicingul, prin biosinteza proteinelor.

Citoplasma este puternic compartimentată și este bogată în organite celulare. Ribozomii au o masă moleculară de 80S pentru subunitățile 60S și 40S (cantitate de masă ca și constantă de centrifugare Svedberg). Lanțul respirator are loc în mitocondrii. Exemple de eucariote sunt ciupercile și celulele animale (de la celulele viermilor până la celulele umane).

O celulă procariotă, însă, are o dimensiune de numai 1-10 µm și conține un echivalent al nucleului (nucleoid) în locul unui nucleu. Această moleculă dens compactă „asemănătoare nucleului” este situată în citoplasmă și cuprinde ADN-ul, care include un singur cromozom și niciun intron.

În plus, poate fi prezentă și o plasmidă (ADN circular, extracromosomal), care joacă un rol deosebit în dezvoltarea bacteriilor rezistente la antibiotice. Citoplasma este mai puțin compartimentată, iar lanțul respirator este localizat în mod specific în membrana citoplasmei.

În timp ce mitocondriile, aparatul Golgi și reticulul endoplasmatic lipsesc, ribozomii au o masă moleculară de 70S pentru subunitățile 50S și 30S. Bacteriile, cum ar fi Escherichia coli, aparțin grupului procariotelor.

Aceste diferențe sunt subiecte comune de examen la biologie și biochimie.

Structura și funcția membranei celulare

Membrana celulară, numită și plasmalemă, înconjoară citoplasma și servește ca delimitare între spațiile intra- și extracelulare. Ea este compusă dintr-un bistrat de fosfolipide, părțile hidrofile ale fosfolipidelor fiind orientate spre spațiul intra- și extracelular. Părțile hidrofobe sunt situate central în interiorul membranei.

Imagine: Bistratul fosfolipidic. De philschatz, Licență: CC BY 4.0

Glicocalixul periferic este format din lanțuri de zahăr (polizaharide) care sunt legate covalent de proteinele membranare (glicoproteine) și de lipidele membranare (glicolipide). Glicocalixul este individual și specific tipului celular, ceea ce înseamnă, de exemplu, că determină caracteristicile grupului sanguin al eritrocitelor.

Facilitată de fluiditatea sa, membrana celulară este stabilă și flexibilă în același timp. Fluiditatea sa se poate modifica în funcție de temperatură și de compoziția lipidică. Membrana este semipermeabilă (denumită și permeabilitate selectivă), ceea ce înseamnă că este permeabilă la substanțe cu moleculă mică, cum ar fi apa, care sunt capabile să difuzeze osmotic. Substanțele cu un număr mai mare de molecule, cum ar fi proteinele, necesită sisteme de transport specifice pentru a trece prin membrana celulară.

Funcționalitatea membranei celulare este determinată în mod decisiv de proteinele de membrană, care includ: canale ionice, molecule de aderență celulară, aquaporine, pompe de membrană, proteine purtătoare și proteine receptoare.

Imagine: Membrana celulară. De philschatz, Licență: CC BY 2.0

Structura și funcția nucleului

Nucleul celulei (nucleul) conține ADN, împachetat în cromozomi, și poate varia ca mărime și structură în funcție de activitatea sa. Carioplasma este separată de citoplasmă prin membrana nucleară poroasă, cariolema.

Membrana nucleară este formată dintr-o membrană nucleară externă și una internă și din spațiul dintre ele, care este cisterna perinucleară. Membrana nucleară externă se unește cu reticulul endoplasmatic și este ocupată de ribozomi. Membrana nucleară interioară se află în interiorul laminei nucleare asemănătoare cu pâsla (lamina nuclearis), care este formată dintr-un strat de filamente intermediare cu dimensiunea de 30-100 nm.

Circa 1000-4000 de pori nucleari asigură schimbul de substanțe între citoplasmă și carioplasmă, în care moleculele < de 5 kDa difuzează liber, iar moleculele mai mari, cum ar fi cele ale proteinelor, trec prin intermediul legăturii cu receptorii.

Nucleul conține un mic nucleol sferic (nucleolus), din care provine ARN-ul ribozomal. Transcripția, o condiție prealabilă pentru traducere, și replicarea, o condiție prealabilă pentru mitoză, sunt, de asemenea, controlate de nucleu.

Imagine: Nucleul. De philschatz, Licență: CC BY 4.0

Funcțiile citoplasmei

Citoplasma, numită și citosol, este limitată de membrana celulară și reprezintă matricea fluidă a fiecărei celule. Citoscheletul, organitele celulare și incluziunile celulare sunt încorporate în citoplasmă.

În citoplasmă are loc biosinteza proteinelor, curenții ionici, precum și transportul veziculelor, în jurul aparatului Golgi, reticulului endoplasmatic și membranei celulare. Acesta constituie aproximativ 50% din volumul celulei și are un pH de 7,2.

Clasificarea organitelor celulare

Organitele celulare sunt încorporate în citoplasmă și se împart în:

• Organele cu restricție de membrană (reticulul endoplasmatic aspru și neted, aparatul Golgi, mitocondriile, lizozomii, peroxizomii)
• Organele fără restricție de membrană, cum ar fi ribozomii sau centriolii

Structura și funcția organitelor celulare individuale

Imagine: Celula umană prototipică. De philschatz, Licență: CC BY 4.0

Reticulul endoplasmatic (ER)

Reticulul endoplasmatic se referă la un sistem membranar tubular. Reticulul endoplasmatic dur este ocupat de ribozomi și facilitează biosinteza proteică a endosomilor, a proteinelor transmembranare sau a granulelor secretorii. Reticulul endoplasmatic neted nu este ocupat de ribozomi și are următoarele funcții diverse:

• Depozitează și reglează ionii de calciu în citoplasma celulelor musculare striate (numit aici reticul sarcoplasmatic)
• Sinteza hormonilor lipidici și steroidieni
• Detoxificarea substanțelor endogene și străine în cadrul hepatocitelor

Imagine: Reticulul endoplasmatic (ER). De philschatz, Licență: CC BY 4.0

Aparat Golgi

Aparatul Golgi este alcătuit din dictiozomi (o stivă de 4-10 cavități în formă de disc, învelite în membrană) și are o regiune cis convexă și o regiune trans concavă care se confruntă una cu cealaltă. Proteinele produse în reticulul endoplasmatic grosier, ajung în cis-Golgi prin intermediul veziculelor de transport, după care sunt apoi modificate și procesate (fosforilare, sulfatare, glicozilare) în cadrul aparatului Golgi și sortate în ceea ce privește destinația lor.

În trans-site-ul, are loc împachetarea în granule sau vezicule secretorii. Un transport retrograd (trans către cis) poate fi detectat pentru enzimele care sunt necesare în reticulul endoplasmatic.

Imagine: Aparatul Golgi. De philschatz, Licență: CC BY 4.0

Mitochondrii

Aceste „stații energetice” ale celulei furnizează energie celulelor prin intermediul fosforilării oxidative și reprezintă un subiect frecvent la examene. Cu excepția eritrocitelor mature, mitocondriile se găsesc în toate celulele.

Mitocondriile posedă 2 membrane, precum și un spațiu intermembranar între ele. Membrana exterioară netedă conține porine, prin care pot trece moleculele < de 10 kDa, în timp ce membrana interioară este pliată în mare măsură pentru a mări suprafața. Aceasta restrânge spațiul matricei și transportă enzimele lanțului respirator și ale sintezei ATP.

În principiu, există 2 tipuri distincte de membrană internă datorită pliajului:

1. Tipul Crista: în celulele metabolic active, cum ar fi cardiomiocitele
2. Tipul Tubule: în celulele producătoare de steroizi

Enzimele β-oxidării și cele ale ciclului acidului citric sunt situate în spațiul matricei.

Mitochondriile sunt semiautonome, deoarece au propriul ADN circular (ADNmt). Așa cum se afirmă în teoria endosimbiotică, mitocondriile sunt procariote filogenetice care sunt încorporate în eucariote în cursul simbiozei.

Această ipoteză este susținută și de faptul că mitocondriile posedă ribozomi 70S (subunități 50S și 30S) și de implicarea lipidei bacteriene cardiolipină în dezvoltarea membranei interne.

Imagine: Mitocondrion. De philschatz, Licență: CC BY 4.0

Lizozomi

Un pH acid (4,5-5), precum și un conținut ridicat de hidrolaze acide, proteaze, lipaze, enzime esteraze, elastaze, colagenaze și fosfataze acide, printre altele, sunt caracteristici ale lizozomilor.

Caracteristicile lor principale sunt auto și heterofagia, precum și degradarea substanțelor endogene și străine. Atunci când un lizozom primar (încă inactiv) fuzionează cu substanțele care urmează să fie degradate, se numește lizozom secundar.

Peroxizomii

Imagine: Peroxizom. De philschatz, Licență: CC BY 4.0

Peroxizomii sunt localizați în principal în ficat și rinichi și conțin enzimele peroxidază și catalază, deoarece au rolul de a degrada acizii grași prin oxidare. În timpul acestui proces, se produce un produs secundar, peroxidul de hidrogen, care poate duce la deteriorarea celulelor. Prin urmare, acesta trebuie să fie degradat în apă și oxigen prin intermediul unei catalaze.

Ribosomi

Ribosomii 80S eucarioți sunt compuși din 2 subunități (60S și 40S) formate dintr-o treime de proteine și două treimi de ARNr. Ei se pot găsi în citosol și ajută la sinteza proteinelor citoplasmatice și nucleare sau pot fi legați de membrană în reticulul endoplasmatic dur pentru a permite sinteza proteinelor lizozomiale, precum și pentru a permite exportul de proteine sau proteine membranare.

Centrioli

Aceste organite celulare apar sub formă cilindrică și sunt compuse din microtubuli. O pereche de centrioli este dispusă perpendicular pe alta pentru a forma centrosomul. Centrosomul este locul de formare a microtubulilor și se mai numește și MTOC (microtubule organizing center).

Incluziuni celulare

Incluziunile celulare sunt subproduse ale metabolismului, nutrienți depozitați, acumulări de substanțe exogene sau endogene care se află libere în citoplasmă. Acestea includ particule de glicogen, picături de grăsime intracelulară, structuri celulare pigmentate (hemosiderină, lipofuscină, praf de carbon) și particule de virus.

În cazul anumitor boli, cum ar fi hemocromatoza sau boala de stocare a glicogenului, incluziunile celulare sunt prezente într-o măsură patologică.

Componente și funcții ale citoscheletului

Citoscheletul este localizat în citoplasmă și este responsabil de stabilizarea, transportul intracelular al substanțelor, precum și de migrația (lat.: migrare=călătorie) celulei. Această rețea tridimensională este generată de microtubuli, filamente intermediare și filamente de actină. Aceste componente sunt supuse la asamblare și dezasamblare constantă, așa-numita polimerizare și depolimerizare.

Imagine: Cele 3 componente ale citoscheletului. De philschatz, Licență: Philschatz: CC BY 4.0

Filamentele de actină (F-actină)

Sunt cele mai mici componente ale citoscheletului, având un diametru de 7 nm și se mai numesc și microfilamente.

F-actină este compusă din 2 lanțuri de actină, înfășurate elicoidal unul în jurul celuilalt, care sunt generate prin polimerizarea a numeroși monomeri globulari de actină (G-actină). În multe cazuri – dar nu întotdeauna – filamentele de actină sunt asociate cu miozina, proteina motorie a sistemului de actină. Ele stau la baza mecanismului de alunecare a filamentelor din mușchi.

În plus, filamentele de actină au și funcții stabilizatoare, deoarece formează structura de bază a microvililor sau punctul de ancorare al desmosomilor.

Filamentele intermediare

Cu un diametru de 10 nm, ele formează structura de susținere pasivă a celulei. Expresia filamentelor intermediare variază în funcție de tipurile de țesuturi, prin urmare, prin intermediul lor, se poate determina, de exemplu, originea unei tumori maligne:

Microtubuli

Cu un diametru de 25 nm, acestea sunt cele mai mari componente ale citoscheletului și își au originea în centrosom (vezi mai sus). Sunt compuși din dimeri de α- și β-tubulină și au un aspect asemănător cu un cilindru gol, cu un capăt încărcat negativ și celălalt pozitiv.

Microtubulele determină localizarea organitelor celulare în interiorul celulei și formează o rețea de transfer direct de masă. Ele sunt, de asemenea, structurile de bază ale kinociilor și ale aparatului fusiform în timpul mitozei și meiozei.

Structura și funcția contactelor celulare

În funcție de funcțiile celor 3 tipuri de celule, contactele pot fi clasificate ca fiind:

1. Contacte de comunicare
2. Contacte de adeziune
3. Contacte de barieră ca legături impermeabile

Contacte de comunicare

Între acestea se numără joncțiunile gap, numite și nexuri (întrebări importante pentru test).

Ele constau din proteine transmembranare numite connexine. Șase conexine formează un conexon și 2 conexoni formează apoi un nexus. Ele permit comunicarea electrică și metabolică între 2 celule adiacente. De exemplu, un număr deosebit de mare de joncțiuni gap se găsește în discul intercalat al miocardului.

Contacte de adeziune/adheziune

Acestea servesc ca ancore mecanice și constau din 3 componente esențiale: proteinele transmembranare, proteinele de placă și citoscheletul. Desmozomii pot fi găsiți între celulele adiacente ca și contact celulă-celulă. Hemidesmosomii, pe de altă parte, leagă celula de matricea extracelulară, creând un contact celulă-matrice.

Tabelul următor prezintă o imagine de ansamblu a diferitelor tipuri de contacte de adeziune, deoarece acestea sunt relevante pentru examinarea în histologie și biochimie.

Contacte de barieră/închidere

Se numesc joncțiuni strânse, zonula occludens, și se dezvoltă prin contopirea membranei externe a celulelor adiacente. Astfel, spațiul intracelular are formă de centură și închide această zonă, astfel încât circulația moleculelor paracelulare este îngreunată (barieră de difuzie). În această zonă, occludina și claudina sunt proteine transmembranare importante.

Complexul funcțional

Acest complex adeziv servește ca barieră de permeabilitate selectivă și, atunci când este privit dinspre stratul apical spre cel bazal, și este format din zonula occludens, zonula adhaerens și macula adhaerens.

Comunicare celulară

Hormoni și transducție

Hormonii sunt mesageri chimici care transferă informații de la o celulă la alta. Acești compuși sunt produși de glandele endocrine, cum ar fi cele hipofizare și tiroidiene.

Vizualizare generală a organelor endocrine și a hormonilor importanți

Organele endocrine produc hormoni ca răspuns la semnale din mediul extern, cum ar fi durerea, presiunea, căldura și lumina. Hormonii pot fi produși, de asemenea, ca răspuns la semnale din interiorul corpului, cum ar fi cele ale foamei.

• După ce hormonii sunt produși, ei sunt secretați în sânge, care îi transportă către celulele din alte părți ale corpului, unde își exercită efectul.
• Celele țintă pentru acești hormoni au receptori care le permit să răspundă la hormon. Acești receptori sunt constituiți din proteine și sunt de obicei localizați în membrana plasmatică care se găsește la suprafața celulei, deși unii pot fi găsiți și în interiorul celulei.
• Când hormonul ajunge la o celulă cu receptorul său, se leagă de receptor și provoacă o schimbare de conformație. Acest lucru înseamnă că receptorul își schimbă forma și își limitează capacitatea de a se lega de un alt hormon.

Modificarea conformațională declanșează, de asemenea, o serie de reacții în interiorul celulei care sunt cunoscute sub numele de cascade de transducție. În funcție de hormon și de celula specifică cu receptorul său, acest lanț de evenimente poate implica eliberarea de enzime care lucrează împreună pentru a genera răspunsuri.

Efectele hormonilor asupra celulelor țintă

Aceste răspunsuri variază de la diviziune celulară, motilitate celulară și moarte celulară. Ele pot implica, de asemenea, modificări ale canalelor ionice care permit sau restricționează mișcarea anumitor molecule în celule.

Alte efecte ale transducției semnalului hormonal includ absorbția glucozei din sânge (insulină), creșterea tensiunii arteriale și a ritmului cardiac (adrenalină) și reglarea ciclului menstrual (estrogen și progesteron).

Transducția semnalului permite celulei să își controleze răspunsul la hormon și la mediu. Având mai multe etape, efectele hormonului sunt, de asemenea, amplificate.

.