BIOGENIUS ACADEMY

Ultrastructura celulelor procariote și eucariote:

Celulele procariote sunt cele mai simple și mai vechi tipuri de celule, întâlnite în principal la bacterii și archaea. Iată o descriere clară și concisă:

Celulele procariote:

• Nucleu: Nu au un nucleu delimitat de membrană. Materialul genetic (ADN-ul) este liber în citoplasmă, într-o zonă numită nucleoid.
• Material genetic: ADN-ul este circular și, în general, este format dintr-o singură moleculă. Pot avea și plasmide – fragmente mici de ADN cu gene suplimentare.
• Organite: Nu au organite membranare (precum mitocondrii, reticul endoplasmatic etc.). Singurele structuri celulare sunt ribozomii (de tip 70S), implicați în sinteza proteinelor.
• Membrană celulară: Prezente, cu rol în schimburile celulei cu mediul.
• Perete celular: Majoritatea au un perete celular rigid, alcătuit din peptidoglican (la bacterii).
• Capsulă: Unele bacterii au și o capsulă protectoare în jurul peretelui celular.
• Flageli / Pili: Pot avea structuri pentru mișcare (flageli) sau pentru atașare și transfer de material genetic (pili).
• Dimensiuni: Sunt foarte mici, în general între 0,1 și 5 micrometri.
Exemple: Escherichia coli, Streptococcus, Archaea methanogene.

Majoritatea ADN-ului procariot se află într-o regiune centrală a celulei numită nucleoid și constă, de obicei, dintr-o singură buclă mare numită cromozom circular. Nucleoidul și alte caracteristici frecvent întâlnite ale procariotelor sunt prezentate în diagrama de mai jos, care ilustrează secțiunea transversală a unei bacterii în formă de bastonaș.

Bacteriile au adesea o reputație proastă: sunt descrise ca „paraziți" care cauzează boli. Deși unele tipuri de bacterii cauzează boli (după cum știi dacă ți s-au prescris vreodată antibiotice), multe altele sunt inofensive sau chiar benefice. Bacteriile sunt clasificate ca procariote, împreună cu un alt grup de organisme unicelulare, arheele. Procariotele sunt mici, dar, într-un sens foarte real, domină Pământul. Ele trăiesc aproape peste tot, pe fiecare suprafață, pe uscat, în apă și chiar în interiorul corpului nostru.

Ce sunt procariotele?

Procariotele sunt organisme microscopice care aparțin domeniilor Bacteria și Archaea, două dintre cele trei domenii majore ale vieții. (Eukarya, al treilea, conține toate eucariotele, inclusiv animale, plante și fungi.) Bacteriile și arheele sunt unicelulare, în timp ce majoritatea eucariotelor sunt multicelulare. Fosilele ne arată că procariotele erau deja aici pe Pământ acum miliarde de ani, iar oamenii de știință cred că strămoșii procarioți au dat naștere tuturor formelor de viață prezente astăzi pe Pământ.

Componentele Principale ale Celulei Procariote:

Capsula:

Multe procariote au un strat exterior lipicios numit capsulă, care, de obicei, este alcătuit din polizaharide (polimeri de glucide). Capsula ajută la agățarea procariotelor unele de altele și pe diferite suprafețe din mediul acestora, prevenind, de asemenea, uscarea celulei. În cazul procariotelor cauzatoare de boală, care au colonizat corpul unui organism gazdă, capsula sau stratul vâscos le poate proteja, de asemenea, de sistemul imunitar al gazdei.

Peretele celular:

Toate celulele procariote au un perete celular rigid, localizat sub capsulă (dacă există). Această structură menține forma celulei, protejează interiorul celulei și previne spargerea celulei atunci când aceasta absoarbe apă. Peretele celular al majorității bacteriilor conține peptidoglican, un polimer de zaharuri legate și polipeptide. Peptidoglicanul este neobișnuit, deoarece conține nu numai aminoacizi L, tipul utilizat în mod normal pentru producerea de proteine, dar și aminoacizii D („imaginea în oglindă" a aminoacizilor L). Pereții celulari ai arheelor nu conțin peptidoglican, dar unii includ o moleculă similară numită pseudopeptoglican, în timp ce alții sunt compuși din proteine sau alte tipuri de polimeri

Membrana celulară (Plasmalemă sau Membrană citoplasmatică):

Sub peretele celular se află membrana celulară. Elementul fundamental al membranei celulare este fosfolipida, o lipidă compusă dintr-o moleculă de glicerol fixată de un cap de fosfat hidrofil (care atrage apă) și de două cozi hidrofobe (care resping apa) de acizi grași. Fosfolipidele unei membrane eucariotice sau bacteriene sunt organizate în două straturi, formând o structură numită dublu strat fosfolipidic.

Membranele celulare ale arheelor au câteva proprietăți unice, diferite de cele ale bacteriilor și eucariotelor. De exemplu, la unele specii, cozile fosfolipidice opuse sunt unite într-o singură coadă, formând un strat simplu în loc de un strat dublu (după cum este arătat mai jos). Această modificare poate stabiliza membrana la temperaturi ridicate, permițându-le arheelor să trăiască fericite în izvoare termale.

Anexele:

Celulele procariote au adesea anexe (proeminențe de pe suprafața celulei) care le permit celulelor să se lipească de suprafețe, să se deplaseze sau să transfere ADN-ul în alte celule. Filamente subțiri numite fimbrii (singular: fimbrie), precum cele prezentate în imaginea de mai jos, sunt folosite pentru aderență – adică ajută celulele să se fixeze pe obiectele și pe suprafețele din mediu lor.

Anexele mai lungi, numite pili (singular: pil), sunt de mai multe tipuri care au roluri diferite. De exemplu, un pil sexual ține două celule bacteriene laolaltă și permite transferul ADN-ului între ele, într-un proces numit conjugare. O altă clasă de pili bacterieni, numiți pili de tip IV, ajută bacteria să se miște în mediul său

Cu toate acestea, cele mai comune anexe utilizate pentru a se mișca sunt flagelii (singular: flagel). Aceste structuri asemănătoare cozii se învârt ca o elice pentru a deplasa celulele prin medii apoase.

Cromozomii și plasmidele:

Majoritatea procariotelor au un singur cromozom circular și, astfel, o singură copie a materialului genetic. Pe de altă parte, la fel ca oamenii, eucariotele tind să aibă mai mulți cromozomi în formă de tijă și două copii ale materialului genetic (pe cromozomii omologi.

Prin definiție, procariotele nu au un nucleu delimitat de membrană pentru a-și ține cromozomii. În schimb, cromozomul unei procariote este se găsește într-o parte a citoplasmei numită nucleoid.

Pe lângă cromozom, multe procariote au plasmide, care sunt mici inele de ADN extra-cromozomial („în afara cromozomului") dublu catenar. Plasmidele poartă un număr mic de gene neesențiale și sunt copiate independent de cromozomul din interiorul celulei. Ele pot fi transferate către alte procariote dintr-o populație, uneori răspândind gene benefice pentru supraviețuire.

De exemplu, unele plasmide transportă gene care fac bacteriile rezistente la antibiotice. (Aceste gene se numesc gene R.) Când plasmidele care transportă genele R sunt schimbate într-o populație, acestea pot produce rapid rezistența populației la antibiotice. Deși este benefic pentru bacterii, acest proces poate îngreuna tratarea de către medici a infecțiilor bacteriene dăunătoare.

Tilacoizii și mezozomii

Tilacoizii și mezozomii sunt structuri intracelulare importante în celulele procariote, fiecare având funcții distincte.

• Tilacoizii:

Tilacoizii sunt structuri membranare întâlnite în cianobacterii, un tip de procariote care efectuează fotosinteza. Aceste structuri sunt asemănătoare cu tilacoizii din cloroplastele eucariotelor, dar în cazul cianobacteriilor, ele sunt formate din plieri ale membranei interne. Tilacoizii conțin pigmenți fotosintetici, cum ar fi clorofila și ficobiliproteinele, care captează energia luminii și permit bacteriilor să producă oxigen și substanțe organice din dioxid de carbon și apă.

• Mezozomii:

Mezozomii sunt structuri invaginate ale membranei plasmatice, observate inițial la bacterii Gram-pozitive. Deși au fost interpretați mult timp ca având roluri funcționale (implicate în respirația celulară, diviziunea celulară sau procesarea materialului genetic), cercetările mai recente sugerează că ar putea fi artefacte ale preparării celulelor pentru microscopie electronică. Cu toate acestea, în cazul unor bacterii, structurile asemănătoare mezozomilor par a fi implicate în producerea de energie prin procesul de respirație celulară, servind drept punct de ancorare pentru enzimele implicate în metabolismul respirator.

Importanțe Practice

Celulele Eucariote

Celulele eucariote sunt unități fundamentale ale vieții și se caracterizează printr-o structură complexă, ceea ce le deosebește de celulele procariote.

Particularitățile celulei eucariote:

• Nucleu individualizat: Celulele eucariote au un nucleu bine definit, înconjurat de o membrană nucleară dublă, care protejează materialul genetic (ADN).

• Volum și suprafață mai mari: La celulele eucariote, volumul și suprafața de schimb cresc odată cu maturizarea. Celulele tinere sunt mai mici, iar cele mature acumulează, în timp, substanțe toxice.

• Compartimentare internă avansată: Față de procariote, celulele eucariote au o organizare internă mai complexă, cu compartimente specializate pentru diverse funcții.

• Organite celulare specializate: - Fiecare organit din celulă are o funcție bine definită. Exemple includ mitocondriile (produc energie) și cloroplastele (realizează fotosinteza în celulele vegetale).

• Citomembrane: Totalitatea membranelor din celulă poartă acest nume, incluzând membrana celulară și membranele organitelor.

• Diviziunea celulară: În celulele eucariote, diviziunea are loc prin două procese:

Structura Celulei Eucariote

Deși celulele din plante, animale și ciuperci sunt eucariote și prezintă structuri comune, ele au și particularități diferite, adaptate funcțiilor specifice ale fiecărui regn. Iată câteva aspecte distincte:

Fiecare componentă a unei celule eucariote, comune sau specifice, este explicată detaliat în fiecare pagină pe care o accesați de aici:

A) Componentele protoplasmatice:

B) Componente neprotoplasmatice (specifice plantelor):

Diviziunea celulară

Înmulțirea este un proces esențial al materiei vii, asigurând perpetuarea acesteia. Celulele se multiplică prin diviziune, un proces care este precedat de o fază de creștere, în care acestea își măresc dimensiunea și își pregătesc materialul necesar pentru replicare. Diviziunea celulară începe cu separarea nucleului(cariokineza) urmată de distribuirea componentelor celulare, iar în final, are loc diviziunea plasmei. Aceasta se încheie prin formarea unui perete despărțitor care delimitează două celule-fiice identice din punct de vedere genetic.

Diviziunea celulară este o etapă a ciclului celular și se desfășoară în două mari faze: diviziunea propriu-zisă și interfaza.

- Interfaza reprezintă intervalul dintre două diviziuni succesive și este o perioadă activă în care celula își pregătește resursele necesare pentru următoarea diviziune. În această etapă, se sintetizează ADN-ul, ARN-ul și proteinele esențiale pentru structura și funcționarea celulei. Astfel, ciclul celular asigură creșterea, dezvoltarea și menținerea organismelor vii.

Cromozomii:

- sunt unități genetice permanente, esențiale pentru transmiterea informației ereditare de la o generație celulară la alta. Aceștia își păstrează proprietățile structural-funcționale prin autoreplicare.

Există două categorii fundamentale de cromozomi:

- Cromozomi procarioți: întâlniți la bacterii și algele verzi, aceștia au o structură simplă, fiind formați dintr-o singură moleculă circulară de ADN, care nu este înconjurată de un nucleu membranos.

- Cromozomi eucarioți: prezenți în organismele eucariote, aceștia sunt organizați în structuri complexe, localizate în nucleul celular și formate din ADN asociat cu proteine histonice.

Structura cromozomilor eucarioți:

Un cromozom eucariot este compus din două elemente fibrilare, numite cromatide sau cromatide surori, care sunt omoloage din punct de vedere morfologic, biochimic, genetic și funcțional. Fiecare cromatidă este copia celeilalte.

Cromatidele sunt unite printr-o regiune specifică numită centromer, care împarte cromozomul în două secțiuni numite brațe, acestea putând fi egale sau inegale ca lungime.

Setul complet de cromozomi, caracteristic unei anumite specii, se numește cariotip, iar pe acești cromozomi se află genele care stochează informația genetică.

Clasificarea celulelor după numărul de cromozomi:

- Celulele somatice: formează organismul și au un număr dublu de cromozomi, fiind diploide (2n).

- Celulele reproducătoare: conțin jumătate din numărul total de cromozomi și sunt haploide (n).

Exemplu: La secară, celulele somatice prezintă 14 cromozomi (2n = 14), iar celulele reproducătoare conțin 7 cromozomi (n = 7).

Diviziunea celulară se realizează prin două mecanisme principale:

- Diviziunea directă (amitoză), caracteristică procariote

- Diviziunea indirectă (cariochinetică), prezentă la eucariote

Fusul de diviziune, format din structuri interne ale centrului celular, este activ doar în timpul diviziunii nucleare, asigurând distribuirea corectă a cromozomilor între celulele fiice.

Diviziunea directă(amitotică)

Diviziunea amitotică este un proces de multiplicare celulară caracterizat prin absența fusului de diviziune și a cromozomilor evidențiați, menținând integritatea învelișului nuclear pe tot parcursul procesului. Aceasta este întâlnită la procariote, celule aflate în proces de regenerare, în țesuturile canceroase, în gale, leucocite și alte structuri biologice.

Mecanisme ale amitozei:

Amitoza poate avea loc prin strangulare (gâtuire) sau clivare (despicare), fiecare dintre aceste procese determinând divizarea celulară în mod distinct.

Amitoza prin strangulare:

În zona mediană a celulei apare o strangulare datorată invaginării membranei, urmată de modificări la nivelul peretelui celular și al nucleului. La final, celula-mamă se divide, generând două celule-fiice de dimensiuni apropiate sau inegale. Un fenomen similar este observat la drojdia de bere, care se multiplică prin înmugurire.

Amitoza prin clivare:

În această formă de diviziune, nucleul și celula sunt despicate de-a lungul unei axe transversale sau longitudinale, proces determinat de formarea unei fantă la nivelul membranei plasmatice și al peretelui celular. Ca rezultat, apar două celule-fiice identice, un exemplu fiind alga verde Pleurococcus.

Diviziunea indirectă (cariochinetică)

După locul și modul de desfășurare, cariochineza se clasifică în două tipuri principale: diviziunea mitotică (somatică) și diviziunea meiotică (reductională).

1) Diviziunea mitotică

Mitoza se produce în toate celulele somatice și conduce la formarea organelor prin generarea de celule identice. De exemplu, o celulă-mamă diploidă (2n), precum cea din secară care are 14 cromozomi, intră în diviziune mitotică și generează două celule-fiice diploide, fiecare păstrând același număr de cromozomi (2n = 14).

Datorită modificărilor suferite de cromozomi pe parcursul acestui proces, mitoza se împarte în patru etape distincte:

- Profaza: Se pregătesc și se condensează cromozomii.

- Metafaza: Cromozomii se aliniază la centru.

- Anafaza: Cromatidele surori se separă și migrează spre polii opuși.

- Telofaza: Se formează nuclee noi și cromozomii încep să se dezcondenseze.

Între două diviziuni succesive are loc perioada numită interfază. În această etapă, nucleul capătă un aspect granulo-reticulat, iar cantitatea de ADN se dublează, ceea ce este esențial pentru distribuirea uniformă și identică a materialului genetic către celulele-fiice.

Etapele mitozei:

1. Profaza

În această etapă, învelișul nuclear și nucleolii încep să se dezorganizeze, iar cromozomii devin individualizați. Se formează fusul de diviziune, iar cromozomii bicromatidici, compuși din două cromatide, migrează către zona centrală a celulei. Aceștia sunt atașați de firele fusului de diviziune prin centromer.

2. Metafaza:

Cromozomii bicromatidici ating nivelul maxim de spiralizare și se fixează de firele fusului de diviziune. Aceștia se aliniază în planul ecuatorial, formând structura numită placa ecuatorială.

3. Anafaza:

În această etapă, cromozomii monocromatidici, rezultați prin separarea cromatidelor, sunt trași aproape simultan către polii opuși ai celulei de către firele fusului de diviziune. Acest proces asigură distribuția egală a materialului genetic în celulele-fiice.

4. Telofaza:

Ajunși la polii fusului, cromozomii monocromatidici încep să se despiralizeze și să refacă structura specifică nucleului în interfază. Fusul de diviziune dispare, iar nucleolii și învelișul nuclear se reorganizează, conducând la formarea celor două nuclee-fiice, identice din punct de vedere genetic cu celula-mamă. Simultan, se formează peretele despărțitor, care separă celula-mamă în două celule-fiice diploide.

2) Diviziunea meiotică (meioza reductională)

Meioza este un tip special de diviziune celulară care are loc în celulele-mamă ale sporilor la unele organisme vegetale, precum și în formarea celulelor reproducătoare numite gameți. Acest proces asigură menținerea constantă a numărului de cromozomi la nivelul speciei.

Prin meioză, o celulă diploidă (2n = 4) se divide, generând patru celule haploide (n = 2). Ulterior, prin fecundație, două celule haploide se contopesc, formând zigotul diploid, ceea ce permite perpetuarea echilibrului cromozomial al speciei.

Etapele meiozei:

Meioza se desfășoară în două etape principale:

1. Diviziunea reductională (heterotipică) – prima etapă, în care se reduce numărul de cromozomi la jumătate
2. Diviziunea ecvațională (homeotipică) sau diviziunea de maturare - a doua etapă, în care fiecare celulă haploidă nou formată își păstrează numărul de cromozomi.

Între cele două diviziuni succesive există o interfază scurtă, unde celulele se pregătesc pentru finalizarea procesului.

Etapa reducțională (I) a meiozei

Etapa reducțională (I) a meiozei se desfășoară în patru faze distincte:

1. Profaza 1

Inițial, cromozomii se prezintă sub forma unor filamente subțiri, slab spiralate. Pe parcurs, ei se scurtează și se împerechează doi câte doi cu omologii lor, formând bivalente de origine duală (paternă și maternă). În această etapă poate interveni și procesul de crossing-over, o recombinare genetică intracromozomială care generează gameti recombinați. Profaza I se încheie odată cu dispariția învelișului nuclear și a nucleolilor, concomitent cu apariția fusului de diviziune.

2. Metafaza 1

Bivalentele se dispun pe firele fusului de diviziune, aranjându-se în planul ecuatorial. Fiecare bivalent, format din patru cromatide, este denumit și tetradă cromozomială.

3. Anafaza 1

În timpul acestei faze, cromozomii se deplasează din placa ecuatorială către cei doi poli ai celulei. Ei apar ca entități bicromatidice, având deja efectuat schimbul de informație genetică în etapa de crossing-over din profaza I.

4. Telofaza 1

Aceasta se caracterizează prin formarea a două celule-fiice, fiecare având un nucleu ce conține un număr redus la jumătate de cromozomi (n = 2) comparativ cu celula-mamă (2n = 4).

Etapa ecvațională (II) a meiozei

Etapa ecvațională se desfășoară similar unei mitoze obișnuite. Cele două celule-fiice rezultate din etapa reducțională intră într-o interfază scurtă (II), după care trec prin cele patru faze specifice diviziunii celulare:

- Profaza II – cromozomii se condensează și se formează fusul de diviziune.

- Metafaza II – cromozomii se aliniază pe placa ecuatorială.

- Anafaza II – cromatidele surori se separă și migrează spre polii opuși ai celulei.

- Telofaza II – nucleele se reorganizează, iar citoplasma se divide, rezultând celule independente.

La finalul acestui proces, iau naștere patru celule haploide (n = 2). În funcție de organism, acestea se transformă fie în spori (celule asexuate), fie în gameți (celule sexuate), esențiale pentru reproducerea și perpetuarea speciilor.