Biologie Celulara

Capitolul1.Unitateadebazaavietii:celula1.1.Ceesteocelul?elulele sunt uniti structurale care compun corpul unei plante sau al unui animal dar pot forma i organisme unicelulare. Unul din caracteristicile comune tuturor celulelor este aspectul de saci care cuprind ap". Acesti saci sunt delimitai de un dublu strat fosfolipidic, numit membran. Membrana este semipermeabil, permind numai anumitor particule s treac n i din celul, blocnd trecerea altora. Aadar, o celul este un "sac" membranar fluidic care nconjoar un spaiu cu coninut celular. Fiecare component al acestui spaiu va fi discutat detaliat n cele ce urmeaz. Celulele sunt n proporie de 90% fluide (citoplasm) care conin aminoacizi liberi, proteine, carbohidrai i numeroase alte molecule. Mediul celular cum ar fi coninutul citoplasmei i al nucleului, afecteaz expresia i reglarea genelor i sunt pri foarte importante ale motenirii genetice. Procentual, o celul este constituit din urmtoarele elemente: 59% Hidrogen (H) 24% Oxigen (O) 11% Carbon (C) 4% Azot (N) 2% Altele - Fosfor (P), Sulf (S), etc. Moleculele care constituie o celul sunt: 50% proteine 15% acizi nucleici 15% carbohidrai 10% lipide 10% altele In interiorul celulei gsim citoplasma format din: Citosol n principal apa ca soluie vscoas totul cu excepia organitelor celulare. Organite celulare (care sunt delimitate de membran) prezente numai n organismele eucariote evoluate (superioare): Nucleu (n eucariote) n care este localizat materialul genetic ADN i produsul acestuia de transcriere, ARN. Reticul endoplasmic (RE) important n cursul sintezei proteice. Este o reea de transport pentru molecule destinate unor modificri i localizri speciale (cum ar fi suprafaa celular extern). Sunt de dou feluri: RE rugos prezint ribozomi i este grupat sub form de teancuri plate. La nivelul lor are loc sinteza de proteine destinate compartimentelor delimitate de membrane. RE neted nu are ribozomi i se prezint ca o reea tubular. Aparat Golgi cu rol n maturarea proteinelor prin glicozilare urmat de secreie. Lizozomi Saci digestivi principalele structuri care diger componentele celulare i se ntlnesc numai n celule animale. Peroxizomi La nivelul lor oxigenul este utilizat pentru realizarea unor reacii catabolice att la animale cat i la plante. Ribozomi particule nucleoproteice (compuse din acizi nucleici i proteine); circa jumtate dintre ei sunt grupai pe RE, iar cealalt jumtate noat liber n citosol. La nivelul lor ARN ajunge pentru a servi la translaia (traducerea) proteinelor. Microtubuli filamente proteice, formate din tubulin; constituie "centrul" celular, cilii, flagelii, etc 1

C

Citoschelet structura de susinere a celulei; format din microtubuli, filamente de actin i filamente intermediare. Mitocondrii Bateriile celulare, convertesc hrana n energie utilizabil (producie de adenozin trifosfat, ATP). La nivelul mitocondriilor conversia energetic se realizeaz prin respiraie aerob. Ele sunt delimitate de 2 membrane: intern i extern. Membrana intern poate varia ca forma la diferite tipuri de celule iar ele formeaza prelungiri numite criste. Mitocondria are aproximativ mrimea unei bacterii i contine propriul material genetic precum i ribozomi particulari. Vacuole Sunt cel mai adesea prezente la plante iar n general, plantele au vacuole voluminoase. Vacuolele sunt absente din celulele animale Cloroplaste convertesc lumina i hrana n energie utilizabil (ATP) i la nivelul lor are loc procesul de fotosintez. Plastide structuri n care se depoziteaz substane de rezerv. Sunt prezente n celulele vegetale. Perete celular prezent la organisme procariote i celule eucariote vegetale; asigur suport i protecie. MATERIAL SUPLIMENTAR Simbolurile, greutile i rolurile lor biologice ale elementelor chimice sunt prezentate n tabelul de mai jos:Tabel 1.1. Lista elementelor, simbolurilor, greutilor i rolurilor biologiceElement Azot (nitrogen) Calciu Carbon Clor Cupru Fier Fluor Fosfor Hidrogen Iod Magneziu Mangan Oxigen Potasiu Seleniu Siliciu Sodiu Sulf Zinc Simbol N Ca C Cl Cu Fe F P H I Mg Mn O K Se Si Na S Zn Greutatea atomica 14,0 40,1 12,0 35,5 63,5 55,8 19,0 31,0 1,0 126,9 24,3 54,9 16,0 39,1 79,0 28,1 23,0 32,1 65,4 Rol biologic Constituent al proteinelor i acizilor nuceici In componenta oaselor, n contractia musculara In structura moleculelor organice In digestie i fotosinteza Parte a pigmentilor purttori de oxigen din sangele molustelor Parte a hemoglobinei, molecula purtatoare de oxigen In dezvoltarea normala a dintilor In componenta acizilor nucleici; formeaza legaturile purtatoare de energie din structura ATP Component al apei i a moleculelor organice In componenta hormonilor (ex. tirozina) Component al clorofilei, pigmentul fotosintetic; esenial n buna functionare a unor enzime Esenial n buna functionare a unor enzime In respiraie; component al apei i al majoritatii compuilor organici In generarea impulsurilor nervoase ; echilibrul electrochimic al membranelor In buna functionare a multor enzime Intra n structura cochiliilor diatomeelor i a peretelui cellular vegetal In generarea impulsurilor nervoase; echilibrul electrochimic i osmotic al membranelor Constituent al unor proteine i polizaharide; n realizarea structurii spatiale a proteinelor prin legaturile disulfidice; compuii redusi ai sulfului sunt sursa de electroni Esenial pentru unele enzime (ex. ce oxideaza alcoolii)

Mrimeacelulelor Celulele eucariote (cu nucleu propriu i organite delimitate de membrane) sunt de circa 10 ori mai mari dect celulele procariote (lipsite de nucleu i membrane interne). Celulele unor plante sunt printre cele mai mari celule i aceasta se datoreaz vacuolelor pline cu ap pe care la conin.

2

Biologie Celulara

Mrimile aproximative ale moleculelor biologice i celulelor sunt: Categoriausoara: 0.1 nm (nanometri) diametru a atomului de hidrogen 0.8 nm diametru un aminoacid 2 nm diametru a unei molecule de AND sub forma de alfa helix 4 nm, o protein globular 6 nm, microfilamentele de actin 10 nm grosime a membranelor celulare 11 nm diametru are un ribozom 25 nm, microtubulii 50 nm, porii nucleari 100 nm, un virus mare 200 nm, centriolul 200 nm (200 - 500 nm), lizozomii 200 nm (200 - 500 nm), peroxizomii Categoriamijlocie: 1 m (micrometru) (1 - 10 um), marimea medie a celulelor procariote 1 m diametrul celulei umane neuronale 2 m, celula bacteriana de E.coli 3 m, mitocondria 5 m lungimea unui cloroplast 6 m (3 10 m), nucleul 9 m celula rosie (hematia) umana Categoriagrea: 10 m (10 - 30 m) cele mai multe celule eucariote 90 m, amibele 100 m, ovulul uman Categoriasupergrea: 1 mm (1 milimetru, 1/10 dintr-un centimetru) 0,75 mm diametrul exceptional al celei mai mari bacterii cunoscute: Thiomargarita namibiensis 1 mm diametrul unei celule nervoase de sepie 2 mm diametrul unui ou de broasca

1.2.Ceesteviaa?Definirea vieii a fost un subiect intens disputat att n plan filozofic ct i n cel tiinific. Cteva definiii au fost totui elaborate iar pe scurt aceastea ar fi: 1. Calitatea care deosebeste un lucru viu i funcional de un corp mort sau o materie pur chimic. 2. Starea unui complex material sau individual caracterizat de capacitatea de a realiza cteva activiti funcionale precum metabolismul, creterea i reproducerea. 3. Secvena de experiene fizice i mentale care constituie existena unui individ. In viziunea acestor definiii un lucru viu poate fi sau nu un virus care "triete" doar atunci cnd insereaz material genetic ntr-o celula vie. Din cele de mai sus putem schia o definitie rezonabil pentru "viu": substana vie interacioneaz cu mediul su, crete, se dezvolt i se reproduce. 3

ObiectulbiologieicelulareBiologia celular este una dintre cele mai dinamice domenii ale tiinelor vieii. Studiul biologic al celulei pleac de la premiza c celulele sunt sisteme complicate prin ele nsele iar n plus au o relatie complicat cu mediul nconjurtor. Un organism precum omul are acelasi material genetic n toate celulele iar n acelai timp, un individ uman posed peste 200 de tipuri de celule ce variaz ca form, mrime i rol. Toate aceste celule au originea ntr-o singur celul : celula ou. Biologia celular studiaz: Complexitatea Inter-relaiile i Intra-relaiile celulelor Unitatea celular i relaiile cu mediul su. Abilitatea celulei de a vieui i reproduce. Capacitatea s de a crete, a se dezvolta i transforma. Biologia celular este o stiin interdisciplinar, nelegerea complexitii structural-functionale a celulei implicnd cunostinte de chimie (chimie organic i anorganic, biochimie), fizic (electronic, optic, termodinamic) i biologie. n cursul de fa, destinat studenilor chimiti de la secia de Inginerie Biochimic (anul IV), vom prezenta aspecte ale structurii celulare, cu accent asupra relaiilor funcionale i metabolice dintre organitele celulare. n parcurgerea acestui curs vom face apel la cunotine de Biochimie, Biofizic i Microbiologie dobndite n anii Populatie anteriori de studiu, anticipnd n acelai timp cursul de Genetic Molecular din anul V de studiu. Descrierea complexitii celulelor va Organism face referire n mod predominant la celule eucariote de tip animal deoarece considerm c studenii au deja cunotine de biologia celulelor procariote (Microbiologie, anul III) iar detalierea biologiei celulei Sisteme de organe vegetale este de un mai mic interes pentru specializarea de Inginerie Biochimic. Totui, anumite structuri i procese de interes major ntlnite Organ la plante (conservarea energiei i fotosinteza) vor fi detaliate la momentul potrivit.

NiveluriledeorganizarealematerieiviiMateria vie este organizata de la simplu la complex iar aceasta aranjare poate fi reprezentat ca n Fig. 1.1. Celula este considerata a fi unitatea de baza a viului iar nivelurile subcelulare aparin n general neviului. Desi viruii i fagii nu sunt considerati a fi "vieuitoare", ele neurmand un model celular de organizare, au capacitatea de a se reproduce n prezenta "viului". Exist niveluri de organizare suprapopulaional: comuniti de populaii (consorii), ecosistem, biom (ecosisteme caracterizate de acelai tip de clim) i biosfer.

Tesut

Celula

Organite celulare

Molecule

Atomi

Particule subatomice

Fig. 1.1. Nivelurile de organizare ale materiei.

4

Biologie Celulara

1.3.TipurideceluleDiferena major dintre celulele de tip procariot i cele de tip eucariot const n faptul c procariotele nu au nucleu i doar n mod excepional prezint organite celulare delimitate de membran (cazul bacteriilor cu vacuole). Ambele tipuri celulare conin ns ADN ca material genetic, membran extern (celular), particule ribozomale, dezvolt funcii similare i sunt foarte diversificate. Procariotele: Sunt celule fr nucleu. Materialul lor genetic nu este dispus ntr-un sac membranar ci mai degrab grupat sub forma unui nucleoid. Procariotele includ bacterii i cianofite (cianobacterii sau alge albastreverzi). Prezint un ADN circular dispus n citoplasm. Recombinarea (cale de diversificare genetic) decurge prin transferal de plasmide (ADN circular scurt) care trec de la o bacterie la alta. Procariotele nu pot inghii particule solide i nu au centrioli sau astre (centru celular sau centru de iniiere a diviziunii). O reprezentare schematic a unei celule procariote este nfiat mai jos. Procariotele au un perete celular constituit din peptidoglicani.Pili Ribozomi ADN Motor rotativ Flagel

Capsula Perete celular Membrana plasmatica

Fig. 1.2 Organizarea celulelor procariote. Eucariotele: Sunt celule cu nucleu n care materialul genetic este inconjurat de o membran asemntoare membranei ce delimiteaz celula. Celulele eucariote alctuiesc corpul uman dar i a multor altor organisme (protozoare, fungi, plante i animale). Materialul genetic este grupat sub forma mai multor cromozomi liniari i complexai (asociai) cu proteine ce servesc la mpachetare i reglarea transcrierii informaiei genetice.Reticul endoplasmic rugos Reticul endoplasmic neted Nucleu

Flagel Absenti la majoritatea plantelor Lizozom Centriol Ribozomi Aparat Golgi Membrana plasmatica Mitocondrie

Peroxizom Citoschelet: microtubuli, filamente intermediare si microfilamente

Fig. 1.3 Organizarea unei celule eucariote. 5

Eucariotele pot fi celule animale sau vegetale. Celulele vegetale se deosebesc de cele animale prin prezenta vacuolelor, peretelui celular, a cloroplastelor i lipsa lizozomilor, centriolilor, pseudopodelor, cililor sau flagelilor, care sunt n schimb prezeni n diferitele tipuri de celule animale. Diferenele dintre celulele procariote i eucariote sunt rezumate n tabelul de mai jos.Tabel 1.2. Principalele deosebiri la nivel celular dintre organismele procariote i cele eucariote

Caracteristic ProcarioteNucleu Material genetic Nu au nucleu distinct, materialul genetic fiind dispus sub forma unui nucleoid. Nu au nucleol. Cromozom circular unic, de tip bacterian; Contin plasmide ca material genetic suplimentar Dispuse sub forma unui operon (constituit din promotor, gena reglatoare i gene structurale). n general produsul de expresie a unei gene este o proteina. Ribozom de tip procariot cu greutatea de 70 S, format din 2 subuniti: una de 30 S iar cealalt de 50 S Prezenta i delimiteaza intreaga celula, incapabila de endo- i exocitoza. Nu contine carbohidrati i steroli (cu unele exceptii care contin molecule asemanatoare sterolilor Nu au ; unele bacterii conin vacuole. Nu au citoschelet. Flagelul bacterian nu este nconjurat de membrana i are structura diferita de cel eucariot. Prezent la unele bacterii, format din peptidoglicani. Respiraie aerob (oxigenic) sau anaerob (anoxigenic). Fosforilarea oxidativ are loc la nivelul membranei celulare. Asexuat, prin fisiune binar (diviziune simpl) prin intermediul unui inel de diviziune.

EucarioteAu nucleu (eu-karyos, gr.= nucleu adevrat) delimitat de membrana nucleara i coninnd nucleol Materialul genetic este dispus sub forma liniara, n filamente de cromatina care, n decursul diviziunii, se condenseaza n mai multi cromozomi. Dispuse sub forma unor clustere (asociatii). Produsul de expresie a mai multor gene poate fi o singura proteina. Ribozom de tip eucariot dispus n citoplasma sau atasat de reticulul endoplasmic, cu marimea de 80 S avand dou subuniti: de 40 S i 60 S Prezenta, delimitand celula i contribuind la compartimentarea celulei formand un sistem de endomembrane. Membrana celular participa la endocitoza i exocitoza. Contine steroli i carbohidrati. Vacuole i cloroplaste n celulele vegetale; lizosomi, cili i flageli n celulele animale; mitocondrii, reticul endoplasmic, aparat Golgi n ambele tipuri de celule prezint citoschelet. Prezent numai la celulele vegetale, format din celuloza ; absent n celulele animale Respiraie exclusiv aerob. Fosforilarea oxidativ are loc n mitocondrii. Diviziune simpl prin mitoz, respectiv sexuat prin meioz, diviziunea celular implic participarea unui aparat de diviziune, a centriolilor i fusului de diviziune

Genele

Ribozomi Membrana celular

Alte organite celulare Perete celular Metabolism Diviziunea celular

Bibliografie CRCIUN, C., Citologie general, Editura Risoprint, Cluj-Napoca, 2005, p. 15-18;

6

Biologie Celulara

Probleme:1. Care dintre urmtoarele lucruri nu este viu dar necesita viaa pentru a se reproduce? A. Bacterii B. Fungi C. Protozoare D. Virui 2. Care propozitie descrie corect funcia RE rugos? A. Transport specific i sisteme de semnalizare B. Sinteza i asamblarea membranelor i proteinelor de secreie C. Producerea de energie n timpul fotosintezei D. Procesarea membranelor i a proteinelor de secreie, incluzand glicozilarea 3. Care propozitie descrie corect funcia aparatului Golgi? A. Transport specific i sisteme de semnalizare B. Sinteza i asamblarea membranelor i proteinelor de secreie C. Producerea de energie n timpul fotosintezei D. Procesarea membranelor i a proteinelor de secreie, incluzand glicozilarea 4. Care este locul de sinteza i asamblare a proteinelor ce constituie receptorii celulari? A. Nucleul B. Mitocondriile C. Reticulul endoplasmic D. Lizozomii 5. Urmatorul organit este intalnit n celula procariot dar nu i n cea eucariot animala: A. Mitocondriile B. Cloroplastele C. Nucleul D. Peretele celular 6.Mitocondriile i cloroplastele: A. Funcioneaz pentru a furniza celulei sursa de energie B. Sunt prezente la plante C. Conin ADN D. Toate variantele de mai sus

7

MATERIAL SUPLIMENTAR

GiantBacteriaDiscoveredhttp://www.accessexcellence.org/WN/

By Sean Henahan Washington, DC (4/16/99)- Thiomargarita namibiensis, a giant bacterium discovered off the coast of Namibia, has a repertoire of survival techniques that would be the envy of any extremophile. left Light-photomicrograph of three cells of Thiomargarita. The prokaryote, measuring up to 0.75 mm wide, is 100 times larger than its nearest competitor n the bacterial size contest. An international team of biologists were stunned to discover the organism while studying the sediments n the coastal waters of Namibia. The "Sulfur Pearl of Namibia" has adapted to an environment low n oxygen and high n hydrogen sulfide that would be toxic to most life forms. "When I told them, my colleagues at first didn't believe me because the bacteria were so big. But I've been working with exotic bacteria for a while now and I knew immediately that these were sulfur bacteria," said Heide Schulz, of the Max Planck Institute for Marine Microbiology. Microscopic analysis revealed that much of the volume of the cell is taken up by a vacuole. The bacteria uses the vacuole to store the nitrates that it uses to oxidize sulfide. The researchers noted that nitrate concentraions within the cell could be up to 10.000 times higher than n the surrounding sea water This combination of the oxidation of sulfide with the reduction of nitrate provides the bacteria with an energy source which is not accessible for most bacteria n the absence of oxygen. The massive vacuole allows Thiomargarita to "hold its breath" until the appropriate nutrients become available. Dr. Schulz was part of a team of scientists who were looking for two other kinds of sulfur bacteria, Beggiatoa and Thioploca, which they had found off the Pacific coast of South America. Both areas feature the hydrographic similar features, particularly an upsurgence of deep ocean water rich with the nutrients on which phytoplankton and other marine organisms depend. But the scientists found only minor levels of Beggiatoa and Thioploca, but quite a lot of Thiomargarita. The genetically similar Thioploca and Thiomargarita, have evolved separate adaptations to the same ecological challenge of surviving n the high sulfide environment. While nitrate is found n sea water, it does not penetrate the oxygen-poor, sulfide-rich sediment where these bacteria are found. Thioploca cells form filaments that cling to each other and secrete a sheath of mucous film. This sheath provides a vertical tunnel through the sediment up to the overlying water, allowing the Thioploca filaments to 'commute' between their food source and the nitrate they need to metabolize it. Thiomargarita, n contrast, do not commute. Rather, they form strands of single, unattached cells evenly separated by a mucous sheath, and wait for nutrients to pass by. The discovery of these organisms should stimulate research into the origins of life on planet Earth. The biosphere depends on the constant recycling of key elements including carbon, nitrogen, and sulfur. Microorganisms are major contributors to this recycling as they facilitate reduction and oxidation. This turn facilitates the transfer of elements to the oceans, sediments, and atmosphere, and to other organisms. The appetite of these bacteria for sulfide and nitrate also suggest another role for them. It might be possible to utilize the bacteria to remediate coastal waters polluted by excess nitrates from agricultural runoff. The research appears n the April 16, 1999 issue of Science.

8

Biologie Celulara

Capitolul2.Origineavietiiibiodiversitatii2.1.Cespunteoriileclasice?

P

roblema originii vietii este probabil subiectul cel mai dezbatut n istoria gandirii umane. Definindu-si locul i rolul, incercand sa-si prezica viitorul din perspectiva apariiei sale, omul a apelat inca din zorii civilizatiei la explicatii dintre cele mai diverse pentru chestiunea originii sale i a vietii n general. Primele idei privind provenienta lumii inconjuratoare au avut o baza mistica, metafizica, care la vremea lor erau importante, asigurand un confort psihic omului inspaimantat de fortele naturii. Cu timpul, odata cu progresul civilizatiei, acest confort a fost inlocuit de curiozitatea rebela a oamenilor, alaturi de fateta mistica, emotionala a gandirii facandu-si loc i o fateta rationala, stiintifica. Pe baza acumularii unor informatii concrete, palpabile, a observarii obiective a naturii inconjuratoare, au fost elaborate i teorii stiintifice care s explice originea vietii i omului. Dintre teoriile stiintifice unele includ interventia Divinitatii iar altele sunt total materialiste Exceptand teoria creationista care face obiectul teologiei, vom incerca s prezentam pe scurt cele mai importante ipoteze clasice i moderne ale originii vietii pe Pamant.

Ipotezageneraieispontane.Viaa a aparut ca urmare a aciunii fortelor mecanice ale naturii. Exprimata pentru ntia oar de Democrit, n Antichitatea elen, aceast idee susinea apariia vieuitoarelor n mod spontan din apa, aer, foc i pamant, cele patru elemente primordiale. Geniala este ns incercarea lui Democrit de a explica formarea materiei vii prin "unirea celor mai mici particule de pamnt umed cu atomii focului". Continund n aceeasi tem, Aristotel susinea apariia larvelor, capuselor, licuricilor i a altor vieuitoare marunte din roua, lemn uscat, par, sudoare i din carne. Ulterior alti cunoscuti oameni de stiinta precum W. Harvey (descoperitorul circulatiei sangvine), F. Bacon (intemeietorul experimentului stiintific i utilizrii gandirii metodice) sau matematicianul R. Descartes au imbratisat teoria generatiei spontane. Aceasta ipoteza a supravieuit pn la mijlocul secolului al XIX-lea cand, prin experimentele sale chimistul Louis Pasteur a demonstrat c bacteriile nu pot lua natere direct din infuzii i solutii organice.

IpotezapanspermieiViaa exista pretutindeni n Univers i ca urmare Pamantul a putut fi "insamantat" cu germenii vietii. Anaxagoras, filozof grec, a explicat ca germenii ("spermata") existenti pretutindeni ("pan") au fecundat pamantul umed, neinsufletit. Naturalistul L. Buffon a preluat aceasta idee a circulatiei "embrionilor de viaa" peste mari distante n spatiu. n prezent ipoteza panspermiei este considerata viabila de multi oameni de stiinta dar sub forma mai nuantata, mai stiintifica astfel : 1. Litopanspermia este ipoteza conform creia materia vie provine din meteoritii care strabat spaiul cosmic. Mai exact este vorba de compui organici (prebiotici) care pot exista pe corpurile ceresti. n sprijinul acestei ipoteze vin descoperirea multor compui chimici care intra n alctuirea unei celule : aminoacizi (alanina, glicina, valina), acizi grasi, hidrocarburi cu lanturi lungi de carbon, zaharuri (arabinoza, glucoza, manoza), compui azotati ciclici (adenina, guanina). La rndul lor originea acestor compui organici prebiotici este discutata: pe de o parte exista susinatori ai originii biogene, provenind din activitatea unor organisme care au trait pe aceste corpuri ceresti din care au provenit meteoritii, iar pe de alta parte compuii prebiotici din cosmos ar avea origine abiogena, rezultate din combinatii pur chimice. 2. Radiopanspermia ca ipoteza a fost elaborata de laureatul Premiului Nobel (1904) S. Arrhenius. El susinea ca "viaa e eterna" iar sporii vii, formati pe corpurile ceresti i ajunsi accidental n cosmos, ar fi purtati radiatiile cosmice pe alte corpuri ceresti. Experimente efectuate cu spori bacterieni precum i descoperirea unui microorganism (Deinococcus radiodurans) au aratat capacitatea acestora de a rmne viabili sub aciunea unor doze imense de radiatii UV, n tranzitii bruste de temperatura i la temperaturi aproape de zero absolut. 3. Panspermia dirijata este o ipoteza care include o inteligenta ce ar fi trait cu mult inainte de apariia Terrei i care ar fi "dirijat insamantarea cu forme vii, elementare, de tipul microorganismelor, planete sterile precum Pamantul". Unul din partizanii acestei ipoteze a fost F. Crick, la rndul sau laureat al 9

Premiului Nobel, iar argumentele sale n favoarea insamantarii inteligente se rezuma la constatarea uniformitatii codului genetic (fapt greu de explicat n condiiile n care viaa ar fi aparut simultan n multiple locuri pe Pamant) i a timpului relativ scurt dintre formarea Terrei (acum 4,7 miliarde de ani) i apariia bacteriilor albastre-verzi (sub forma asociatiilor de stromatolite, acum 3,7 miliarde de ani), mult prea scurt pentru a explica apariia lor.

2.2.IpotezemodernealeoriginiivietiiAm vzut anterior c n viziunea susinatorilor generatiei spontane i panspermiei, procesul apariiei primelor molecule biogene, respectiv a unor organisme gata formate, este fie o miscare magica a naturii, fie un dar facut de extraterestri, fara a explica ns cum au aparut acestia. Ipotezele asa-numite moderne incearca s aplice experimentul stiintific n demonstrarea apariiei primelor biomolecule, treapta de organizare a materiei precursoare celei celulare. Din acest punct de vedere, ipotezele apariiei vietii pot fi grupate n ipoteze ale formrii moleculelor biogene i ipoteze ale apariiei primei celule.

Teoriaevoluieibiochimice(OpariniHaldane)Pe scurt aceast teorie explic apariia moleculelor biogene ca urmare a unor reacii chimice sub aciunea unor factori fizici favorabili. In mod independent, biochimistul rus A.I. Oparin (1922) i cel englez, J.B.S. Haldane (1928) au formulat ipoteze similare privitoare la biogenez. n viziunea lor au existat trei etape de dezvoltare de la materia anorganic la materia vie : 1. Etapa anorganic a apariiei hidrocarburilor primare. Este o etap pur chimic ce a avut ca rezultat generarea metanului, apei, amoniacului etc. n primele momente ale existenei sale ca planeta de sine stttoare, Pmntul avea foarte probabil o atmosfer reductoare bogat n metan, vapori de ap, hidrogen, amoniac. Oxigenul sub form liber nu exista sau era n cantiti infime. 2. Etapa organic a apariiei moleculelor organice de tipul aminoacizilor. Condiiile fizico-chimice existente pe Terra tanara cum ar fi lipsa oxigenului, temperaturile inalte i bombardamentul cu radiatii UV ar fi cauzat generarea de aminoacizi. Reproducerea posibilelor condiii fizico-chimice ale atmosferei primitive n laborator a permis lui W. Loeb (1913), J. Haldane (1926) i S. Miller (1953) s obtina aminoacizi i alte molecule organice. Astfel Stanley Miller i Harold Urey a supus timp de o sptamn descrcrilor electrice generatoare de raze UV un amestec de H2 (13%), CH4 (26%), NH3 (26%) i vapori de ap (35%), inchis ntr-un balon de sticl de 5 l, la temperatura de 60oC. Ei au reusit s obtin un numr remarcabil de compui : CO, CO2, HCN, acid formic, aldehida formica, glucide, grasimi, acid acetic, uree i numerosi aminoacizi. Miller i Urey au concluzionat ca primii compui care se sintetizeaza n prezenta descarcarilor electrice sunt acidul cianhidric i aldehidele i ca reaciile au loc n absenta oxigenului, confirmand astfel caracterul chimic reducator al atmosferei primitive. Pastrandu-se aproximativ aceleasi condiii din experimentele lui Miller i Urey, ulterior au fost obtinute i alte molecule organice de interes biologic : baze purinice i pirimidinice, pentoze precum riboza i dezoxiriboza (C. Ponnamperuma i C.Sagan), acizi nucleici (A. Kornberg, 1958), iar n prezenta esterilor polifosfatici, lanturi de nucleotide i adenozin-monofosfat (Schramm, 1962; Ponnamperuma, 1965). Aceste descoperiri au evideniat posibilitatea ca Pamantul primitiv s adaposteasca o cantitate apreciabila de molecule organice cu potential biogen. 3. Etapa biologica a formrii unor sisteme capabile de metabolism. n 1932 s-a reusit obtinerea n laborator a unor agregate lipidice sferice cu diametre cuprinse intre 1 i 100 m, agregate formate spontan pe baza interaciunilor hidrofobice ale coloizilor n soluii slab organice (Fig. 2.1). Ele au fost botezate coacervate (coacervare, lat= a se aduna la un loc) i vzute de Oparin ca precursoare ale membranelor celulare. Asemenea picturilor de ulei ntr-o farfurie de sup, coacervatele se pot "divide" atunci cnd ating un volum critic. Mai mult, s-a constatat ca aceste agregate au o permeabilitate selectiv pentru anumiti compui organici. Este posibil ca n interiorul coacervatelor aparute spontan n Oceanul Primar s se acumuleze o serie de substane precum aminoacizi i nucleotide. O etap ulterioara ar fi contat n "selectia naturala" a celor mai stabile coacervate, capabile s reziste multa vreme. Suprafaa imensa a Oceanului care adapostea "supa primara" precum 10

Biologie Celulara

i timpul scurs ar fi putut fi suficiente pentru apariia a unui numr imens de combinatii, adica o baza larga de selectie a coacervatelor stabile.

Fig. 2.1 Coacervate obtinute de Oparin din interaciunea spontana a gelatinei cu guma arabica Cu toate rezultatele pozitive obtinute n favoarea teoriei Oparin-Haldane, problemele apariiei biopolimerilor gigantici de tipul proteinelor, a asocierii dintre acestea i acizii nucleici pentru a forma substratul informaional al reproducerii i metabolismului, raman fara raspuns. n anii urmatori experimentelor lui Miller, biochimistul american S. Fox a facut la rndul sau cateva descoperiri neasteptate, evidente ca l-au facut s elaboreze ipoteza protenoidelor.

Ipotezaproteinoidelor(Fox,1959).Pornind de la constatarea ca acidul glutamic i acidul aspartic sunt cei mai abundenti dintre cei 20 de aminoacizi eseniali, S. Fox i colaboratorii sai (1956, 1959) au incalzit un amestec din cei doi aminoacizi, timp de 3 ore la 180oC obtinand un polimer asemanator proteinelor, structura denumita "proteinoid" (cunoscute n prezent drept "proteine termale"). S-a constatat ca aceste proteinoide pot atinge greutati moleculare de 3000 pn la 10000 si, surprinzator, n condiii experimentale identice, folosind aceleasi amestecuri de aminoacizi, se obtine o succesiune regulata i reproductibila de aminoacizi. Ca i cnd aceste rezultate nu ar fi indeajuns de spectaculoase, n urma racirii suspensiei de proteinoide, n apa sarata, se obtin niste sferule microscopice (1-2,5 m diametru) mult mai stabile decat coacervatele, numite "microsferule". Aceste microsferule pot creste prin aditia altor proteinoide sau substane din mediu i se pot divide. n plus, sub presiuni usoare, microsferulele se pot alinia n lanturi asemanatoare algelor coloniale microscopice. n sectiune, microsferulele prezint chiar un invelis dublu de proteinoide, invelis care are o permeabilitate selectiv. Obinerea proteinelor termale i microsferulelor l-au determinat pe Fox s afirme c acestea din urm ar reprezenta o form de protocelul. Deosebirea esenial dintre coacervate i microsferule const n faptul ca primele iau nastere prin separarea unor formatiuni sferice dintr-un amestec de apa i macromolecule, n timp ce microsferulele apar prin condensarea proteinelor termale deindata ce ele se formeaza din aminoacizi. Provenienta pe cale chimica a macromoleculelor sau biopolimerilor fiind intrucatva verificata experimental, la aceasta adaugandu-se i cele cateva ipoteze privind formarea unui "invelis" protector, rmne n discutie asocierea dintre acizii nucleici (polinucleotide) i proteine (polipeptide) pentru a forma un metabolism coerent. n acest sens au fost elaborate dou grupe de teorii, una vizand rolul primordial al ADN iar cealalt clamand intaietatea ARN n stabilirea unui metabolism primitiv.

TeoriialegenotipuluiCuprind o suma de ipoteze referitoare la capacitatea moleculelor de ADN, aparute spontan n supa primara, de a se replica i a suferi mutatii (sub aciunea radiatiilor UV). Experimente efectuate cu ADN au aratat ca acesta poate servi ca matrita pentru formarea unor copii ale sale, e adevarat cu mari erori (Orgel, 11

1971). Un intreg scenariu a fost imaginat pornind de la cateva constatari experimentale. Astfel, n anumite condiii fizico-chimice (temperatura, prezenta unor ioni metalici cu rol catalizator), polinucleotidele ar fi putut lega nucleotide complementare (adenina-timina, citozina-guanina) rezultnd macromolecula dublu catenara de ADN, mai stabil. La rndul su, ADN s-ar fi putut replica, chiar i cu o acuratee redus. Mutaiile rezultate sub aciunea UV ar fi asigurat o mare heterogenitate intre moleculele de ADN. Saracirea Oceanului Primar n substane organice n general i n nucleotide n particular, ar fi determinat apariia unei "competitii" nemiloase intre molecule rivale. Doar cele mai stabile, posibil cele care au reusit sa-si asocieze unele polipeptide (viitoare proteine stabilizatoare sau chiar enzime) i protejate n coacervate sau microsferule, s fie capabile s supravieuiasca. In felul acesta, ca urmare a unei lupte pentru existenta la nivel molecular, ar fi aparut prima celula.

Teoriaribotipului(Barbieri,1981)Aceste teorii pleaca de la constatarea ca ribozomii, structuri ribonucleoproteice, sunt universal raspandite la procariote i eucariote. La nivelul acestor organite are loc translaia, adica asamblarea aminoacizilor n proteine. Mai mult, secvena de nucleotide din ARN ribosomal (ARNr) este una dintre cele mai conservate secvene din acizii nucleici. Sinteza abiotica a uracilului, nucleotid care substituie timina din ADN, a fost de asemenea demonstrata (S. Miller i M.P. Robertson, 1995). Teoria ribotipului, formulata de Barbieri (1981), afirma ca viaa a aparut odata cu stramosii primelor ribotipuri actuale, ribotipul fiind considerat sistemul ribonucleoproteic al fiecrei celule, adica suma ribozomilor dntr-o celula. Conform acestei teorii, formele de viaa ar fi aparut n trei etape : precelular, protocelular i celular. 1. Evolutia precelular a fost initiaa de asocierea polinucleotidelor cu polipeptide pentru a forma ribozomii primitivi (ribozoizi). Exista diverse date experimentale care susin rolul acidului ribonucleic n aceasta asociere, iar cea mai importanta este capacitatea ARN de autocataliza replicarea (si de aceea ARN a mai primit numele de "ribozima") (T.R. Cech i S. Altman, Premiul Nobel n 1989). n primele momente ale asocierii ARN-polipeptide ar fi existat o diversitate foarte mare de ribozoizi. Unii dintre acestia, posedand ARN capabil de o replicare eficienta s-ar fi perpetuat n dauna altor ribozoizi. Secvene similare de ARN ar fi fost asociate cu polipeptide similare.Ulterior un avantaj competitive l-ar fi constituit capturarea acestora n coacervate sau microsferule, formand nucleozoizi. Nucleozoizii ar reprezenta asadar coacervate cu ribozoizi i alti compui, foarte heterogene ca dimensiune, forma i proprietate. Etapa mai avansata nucleozoizilor ar fi reprezentat de inglobarea moleculelor de ADN dublu catenar, acizi nucleici mai stabili decat ARN monocatenar. 2. Evolutia protocelular ar fi fost initiate din nucleozoizi cu ADN (heterozoizi) n care ribozoizii ar fi devenit mai mari, devenind ribozomi cu capacitate crescuta de replicare. Ei s-ar fi grupat specific ntr-o anumita zona ale heterozoidului (similara nucleolului). n prezent se stie ca la nivelul nucleolilor are loc transcriptia informaiei genetice de pe ARN la ARN mesager. Heterozoizii, protejati de un invelis asemanator membranei i capabil de replicarea informaiei continute n acizii nucleici ar fi reprezentat protocelule sau "microcariote". n acest punct rmne totusi nelamurita problema apariiei codului genetic, a transferului de informatie ADN-ARN-proteine care constituie dogma centrala a biologiei. 3. Evolutia celular a urmat dou cai importante i anume microcariotele au dat nastere la procariote (arhebacterii i eubacterii) respectiv microeucariotelor care prin endocitoza (incorporarea) unor procariote au dobandit mitocondrii i cloroplaste devenind eucariote. Apariia celulelor de tip eucariot, posesoare ale unor organite celulare delimitate de o membrana lipidic proprie a fost explicata prin mai multe teorii dintre care cea endosimbiotica a lui Lynn Margulis, este cea mai larg acceptata.

Ipotezaendosimbiozeiseriale(Margulis,1981)Asemanarea dintre bacterii i organitele celulare, plastide i mitocondrii din eucariote, a fost semnalata cu mai bine de un secol n urma de Schimper (1883) respectiv Altman (1890). Dintre argumentele pentru originea procariot a mitocondriilor i plastidelor (cloroplaste) amintim : marimea relativa asemanatoare cu cea a bacteriilor, prezenta la suprafaa acestora a dou membrane bistratificate, prezenta enzimelor din lantul respirator n membrana intern a acestor organite, desfurarea fosforilrii oxidative exclusiv n interiorul 12

Biologie Celulara

mitocondriilor i cloroplastelor, material genetic propriu (ADN i ARN mitocondrial i plastidial) alaturi de ribozomi de tip procariot, codul genetic mitocondrial i plastidial este usor diferit de cel nuclear, capacitatea acestora de automultiplicare. Sintetiznd datele avute la dispozitie, L. Margulis (1981) a elaborat ipoteza originii endosimbiotice a plastidelor, mitocondriilor, flagelilor, centriolilor, citoscheletului, fusului de diviziune i a altor structuri ce caracterizeaz celula eucariot. In conceptia lui Margulis, o prima simbioz ar fi avut loc ntre un organism amoeboid heterotrof (cu nutritie organic) i o bacterie aerob autotrofa (capabila de sinteza propriilor substane organice pornind de la nutrienti anorganici). Bacteriile aerobe ar fi aparut abea dupa achizitionarea aparatului fotosintetic de ctre procariote, adica dupa apariia cianobacteriilor. Acestea sunt considerate la ora actuala cele mai vechi forme de viaa de pe planeta noastra. Ele ar fi format asociatii numite stromatolite (ce pot fi inca vazute n marile australe) i ar fi contribuit la cresterea continutului de oxigen liber n atmosfera. Consecinta acestui fapt a fost disparitia atmosferei primitive, reducatoare i apariia organismelor capabile s utilizeze oxigenul ca acceptor final de electroni (aerobe). Revenind, rezultatul primei etape endosimbiotice a fost un protoeucariot amoeboid, aerob. Acesta se multiplica dupa atingerea unei mase critice, prin diviziune simpla. O a dou simbioza ar fi constat n asocierea protoeucariotelor amoeboide cu bacterii aerobe de tipul spirochetelor sau spirililor, fapt finalizat cu apariia flagelului. Spirilii i spirochetele contin structuri microtubulare cu rol contractil i de mobilitate. Organizarea similara a aparatului flagelar (a corpusculului bazal) i centriolilor vin n sprijinul originii monofiletice a acestora. Ulterior microtubulii ar fi constituit aparatul de diviziune mitotica, specifica eucariotelor. Rezultatul celei de a dou simbioze a fost un amoeboflagelat heterotrof asemanator protozoarelor actuale. Acest tip de organism ars ta la baza organismelor animale i fungale actuale. Un alt avantaj evolutiv l-ar fi constituit apoi endosimbioza cu o cianobacterie, celula eucariot devenind astfel capabila de nutritie dubla: heterotrofa i autotrofa (nutritie mixotrofa ca de ex. la speciile genului Euglena). Pierderea capacitatii de nutritie heterotrofa, prin dezvoltarea sistemului fotosintetic a dus la apariia organismelor vegetale, fotoautotrofe. Subordonarea diferitelor organite intregului celular a fost cauzata de un schimb de informatie genetica intre materialul ereditar al organitelor i cel din nucleu, care devine astfel centrul coordonator al activitatilor celulare. Teoria endosimbiozei seriale emisa de Margulis are la rndul ei puncte slabe, controversate mai ales n ceea priveste achizitionarea citoscheletului, centriolilor, fusului de diviziune i a flagelilor. Ea explica ns relativ bine apariia organitelor celulare de tipul mitocondriilor i cloroplastelor Optimizarea diviziunii mitotice odata completa a avut drept consecinta explozia evolutiva (radiatia adaptativa) a protistelor (eucariotelor unicelulare) i urmata la scurt timp de apariia metazoarelor (plante i animale) i fungilor.

TeoriileapariieiievolutieicoduluigeneticO problema spinoasa a biologiei moleculare moderne este explicarea modului n care s-a ajuns la codul genetic actual, universal raspandit la vieuitoarele de pe planeta noastra. Caracteristica principala a codului genetic este organizarea s sub forma de gene formate din "codoni" alcatuiti din trei nucleotide, codoni care codific un anume aminoacid. Mai simplu spus, putem s facem o paralela intre informatia genetica i dictionarul unei limbi: informatia genetica "spune" ce anume trebuie s execute o celula la fel cum cuvintele unei limbi ne permite s comunicam i s interactionam cu mediul. Informatia genetica este formata din codoni, cuvinte ale dictionarului. Fiecare codon este format din 3 nucleotide (triplet de nucleotide), adica sunt niste cuvinte alcatuite din 3 litere. n total alfabetul genetic are 4 litere: A, T (inlocuit de U n ARN), C. G care trebuie s alcatuiasca 20 de cuvinte (cei douzeci de aminoacizi eseniali). Succesiunea cuvintelor alcatuiesc fraza dupa care celula funcioneaz, adica succesiunea de aminoacizi care formeaza lantul polipeptidic sau proteinele. Informatia biologica urmeaza calea ADN ARN Proteina.

13

ADN este transcris n ARN mesager (copie n oglinda, deci purtatoare de anticodoni) iar fiecarui anticodon de pe ARNm i se ataeaz un ARN de transport purttor de codon complementar i de aminoacid. Astazi cunoastem n detaliu organizarea codului genetic asa cum a fost descris mai sus dar acum 50 de ani mesajul ADN-ului era inca nedescifrat. Iar daca ne intoarcem acum un secol, proteinele erau considerate a fi detinatoarele informaiei ereditare. Tot atunci acizii nucleici, a caror existenta era cunsocuta, nu erau considerati eseniali n ereditate. Experimentele ulterioare au aratat rolul acizilor nucleici, n speta a ADN n transmiterea informaiei (exemplul transmiterii caracterului patogenic al unor bacterii de la un tip patogen mort la unul inofensiv, viu). Dupa clarificarea rolului ADN n transmiterea informaiei (ereditare) s-a pus intrebarea "Care este legtur dintre macromolecula, formata din succesiunea celor 4 nucleotide (adenine, timina, citozina i guanine) i proteine?. Respectiv modalitatea n care cele 4 litere pot codific cei 20 de aminoacizi eseniali ? Un caz ar fi codificrea unui aminoacid (un cuvant) de ctre un nucleotid (o litera), iar din aceasta ar rezult doar 4 combinatii (41); un alt caz ar fi imprerecherea nucleotidelor, adica o pereche de nucleotide ar codific un aminoacid esenial : numrul maxim de combinatii ar fi fost 4 la puterea 2 (42) adica 16 combinatii, numr insuficient pentru a justifica cei 20 de aminoacizi. A treia optiune ar fi existenta tripletilor : 43, adica 64 de combinatii, numr mai mult decat suficient, aparent chiar prea mare. Intr-adevr, n experimente care utilizau un lant polinucleotidic de tipul poli-(U) creat artificuial, a permis sinteza n vitro a lantului polipeptidic poli-fenilalanina. S-a demonstrat apoi ca un aminoacid poate fi codifict de mai mult de 1 codon (caraterul "degenerat" al codului genetic). Exista o serie de codoni care codific informatii de tipul START (AUG) sau STOP (UGA, UAG i UAA) al informaiei genetice, fara a fi exprimate ca aminoacizi. Pe scurt, "spargerea" codului genetic s-a realizat prin translaia n vitro a ARN sintetic n lanturi polipeptidice. Tabel 2.1. Codul genetic

UUUU UUC U UUA UUG CUU CUC CUA CUG Phe Phe Leu Leu Leu Leu Leu Leu (F) UCU (F) UCC (L) UCA (L) UCG (L) CCU (L) CCC (L) CCA (L) CCG

CSer Ser Ser Ser Pro Pro Pro Pro Thr Thr Thr Thr Ala Ala Ala Ala (S) UAU (S) UAC (S) UAA (S) UAG (P) CAU (P) CAC (P) CAA (P) CAG (T) AAU (T) AAC (T) AAA (T) AAG (A) GAU (A) GAC (A) GAA (A) GAG

ATyr Tyr (Y) UGU (Y) UGC STOP UGA STOP UGG (H) CGU (H) CGC (Q) CGA (Q) CGG (N) AGU (N) AGC (K) AGA (K) AGG (D) GGU (D) GGC (E) GGA (E) GGG

GCys Cys Trp Arg Arg Arg Arg Ser Ser Arg Arg Gly Gly Gly Gly (C) (C) STOP (W) (R) (R) (R) (R) (S) (S) (R) (R) (G) (G) (G) (G)

C

His His Gln Gln Asn Asn Lys Lys Asp Asp Glu Glu

A

AUU Ile (I) ACU AUC Ile (I) ACC AUA Ile (I) ACA AUG Met(M) START ACG Val Val Val Val (V) GCU (V) GCC (V) GCA (V) GCG

GUU GUC G GUA GUG

Ne intrebam totusi cum s-a ajuns la o asemenea organizare universala, eficienta pentru transmiterea informaiei ereditare cu minimum de erori?

14

Biologie Celulara

Fig. 2.2. Relatiile stuctural-functionale dintre aminoacizi/proteine i nucleotide/acizi nucleici Mai multe ipoteze au fost emise pn n prezent :

IpotezeleasocieriistereoifizicochimicedintreaminoacidicodonPot fi rezumate astfel : Pentru fiecare aminoacid exista o secvena de codificre pentru care manifesta cea mai mare tendinta de asociere. Asocierea dintre aceste secvene i aminoacizi au influentat forma i continutul codului genetic. Interaciunile stereochimice ar putea de exemplu explica asocierea dintre aminoacidul glicina i codonul GGG. Dovezile de asociere fizicochimica sunt observatiile ca exista o legtur clara intre tipul de polaritate (hidrofobicitate sau hidrofilicitate) a aminoacizilor i prezenta unui anume nucleotid n codon. Aminoacizii cu nucleotid U n a dou pozitie a codonului sunt hidrofobici (Ile, Leu, Met, Phe, Val) n timp ce cei cu A sunt hidrofilici (Asn, Gln, Glu, His); aminoacizii care au C sunt intermediari, iar cei cu G sunt amestecati. Mai mult, codonii care au n comun un dublet impartasesc aceeasi preferinta pentru polaritate (e.g. His i Gln; posibil Cys i Trp). O problema fundamentala nerezolvata de ipotezele asocierii stereo- i fizicochimice este faptul ca n translaia moderna aminoacizii nu sunt direct legati de nucleotidele din codoni sau anticodoni. A avut loc un salt evolutionar n decursul caruia asociatiile directe s-au pierdut dar logica a fost transmisa pn n prezent. Dovezile experimentale n favoarea acestor ipoteze sunt ns limitate iar originea codului genetic nu poate fi corelata univoc cu asocierea chimica dintre trinucleotide i aminoacizi.

Ipotezaminimizariieroriiprinmutatiiintamplatoare(randomizate)Asocierea dintre aminoacizi i ARN purttori de codoni este optimizata n urma unui indelung proces de selectie, adica eliminarea celor mai instabile asocieri aminoacid- ARN. Este posibil mai multe "coduri genetice" initiale s fi presupus asocieri (intamplatoare sau nu) intre aminoacizi i dubleti de nucleotide. Aceste coduri genetice ar fi fost extrem de ineficient n translatie, erorile ar fi fost foarte mari iar rezultatul, un amestec haotic de polipeptide produse ntr-o maniera nereproductibila. Codul genetic cu tripleti ar fi minimizat erorile iar unii aminoacizi ar fi putut fi inca inserati n proteine fara s modifice substantial funcia acestora. Un cod genetic cu cuadrupleti ar fi n schimb prea complicat i mare consumator de energie. Ipoteza minimizarii erorilor de expresie nu ofera solutii pentru logica asocierii aminoacid-ARN. Ca de obicei adevarul nu poate fi decat undeva la mijloc. Prin combinarea ipotezelor enuntate mai sus se poate descrie un scenariu plauzibil : 15

Cel mai probabil, n supa primara, cnd existau deja molecule (dublu catenare) de ARN, au aparut mai multe cai de prin care s-a stabilit o relatie intre diversi aminoacizi i diversele secvene de nucleotide. Asocierile stereo- i fizicochimice dintre nucleotide i aminoacizi au evoluat spre asocieri cu molecule de ARN mai mari. Finalmente ARN a fost inlocuit ca material purttor de informatie ereditara de ADN dublucatenar, o macromolecula mult mai stabila (fizic i chimic). O parte din ARN s-a format ca o copie n oglinda a catenei ADN devenind ARN mesager (cu codoni) n vreme ce alte molecule ARN (de transfer, cu anticodoni) au ramas asociate (stereo- sau fizicochimic) cu anumiti aminoacizi iar n mediul oferit de ribozomi (cu ARN ribosomal) s-a putut optimiza procesul de translatie sau sinteza proteinelor. Unele proteine s-au dovedit a fi utile formelor de viaa incipiente (de ex. devenind enzime care ar fi favorizat achizitia unor anumite lipide, a unor enzime care ar fi favorizat replicarea corecta a ADN sau transcriptia de mare acuratete a ADN n ARN mesager, etc). Mai mult, o conservare a mecanismelor de transcriptie i translatie ar fi putut fi eficienta doar n masura n care, n paralel cu perfectionarea aparatului genetic, au aparut primele cai metabolice, n principal cele care asigurau sursa de energie pentru protocelula (sinteza ATP) i protectia s prin formarea membranei lipidice. Forta selectiei naturale a avut de ales dintre un numr enorm (se apreciaza 1020) de protocelule pe acelea care, accidental sau nu, au achizitionat cele mai favorabile schimbari.

2.3.DiversitatealumiiviiPe baza caracteristicilor morfologice i structurale organismele vii au fost pn recent grupate n 5 regnuri : Plantae, Animalia, Fungi, Protista i Bacteria (Monera). De la specificam faptul ca termenul de "organism evoluat" trebuie folosit cu moderatie. Conceptul de evolutie poate include i modul n care organismul raspunde cel mai bine provocarilor mediului ambiant, pe langa complexitatea s structurala. Astfel o bacterie este capabila s supravieuiasca unor condiii de viaa ce ar fi fatale omului (temperaturi de peste 100oC, medii extrem de acide sau bazice, n lipsa totala a oxigenului etc). La rndul lor aceste regnuri pot fi grupate n funcie de complexitatea structurala n Eucariote (care cuprinde primele 4 regnuri enumerate) i Procariote (in care sunt incluse bacteriile). Incepand cu anii 80, pe baza dovezilor de biologie moleculara i filogenie (stiinta care studiaza originea i inrudirea dintre organisme), s-a stabilit o alta clasificare a organismelor n trei domenii : Eubacteria, Arheea (Arhebacteria) i Eukarya. Aceasta clasificare se bazeaza pe descoperirea unui grup "stravechi" de procariote: arhee (arhebacterii), cu caracteristici mixte, de eucariote i bacterii propriu-zise (eubacterii). Arheele sunt i ele procariote deoarece nu au nucleu adevarat ns au o multime de aspecte structurale similare eucariotelor, n special n privinta aparatului genetic. Bacteriile (eubacteriile i arheele) reprezint de departe cel mai numeros grup de vieuitoare cu mii de specii clasificate i probabil alte milioane necunoscute. Se considera ca la ora actuala Planeta Albastra adaposteste cea mai mare biodiversitate din istoria de 4,76 miliarde de ani, cu circa 1,5 milioane de specii cunoscute. Dintre acestea o mica parte este reprezentat de mamifere (4000 specii), pasari i pesti (circa 9000 specii), mai mult de 800 de mii de specii de insecte. Regnul vegetal numra circa 240 de mii de specii de plante superioare (angiosperme) i alte 34 de mii de specii de alge, muschi, ferigi i conifere. Fungii (ciupercile) cuprind circa 69 de mii de specii (Fig. 2.3). Numrul total de specii ca vieuiesc n prezent este estimat cu o larga marja intre 3 i 30 milioane. Stim de asemenea ca de-a lungul perioadelor geologice Terra a suferit 5 extinctii n masa, unele dintre ele finalizate cu eliminarea definitiva a 60 pn la 90% din totalul speciilor existente. Astfel, putem realiza imensa putere creatoare a naturii, imaginatia s aproape nelimitata care a explodat din momentul n care a avut loc stabilizarea unui cod genetic i cu ea apariia unei populatii de celule primitive capabile de reproducere i metabolism propriu.

16

Biologie CelularaAlte nevertebrate Reptile Pasari (corali, stele de 1% 0,4 % mare etc) 1% Viermi Alge si plante 2% inferioare 2% Protozoare 3% Moluste 3% Fungi 5% Crustacei, paianjeni 13% Pesti 1% Mamifere 0,3 % Amfibieni 0,3 % Procariote (eubacterii, arhee) 0,4 %

Insecte 53%

Angiosperme 16%

Fig. 2.3 Diagrama reprezentand ponderea principalelor grupe de organisme din totalul speciilor clasificate n prezent. De notat faptul ca, desi bacteriile sunt considerate cel mai cuprinzator grup de organisme, datorita dificultatilor de cultivare, doar un mic procent de bacterii este cunoscut. In viziunea actuala, originea tuturor vieuitoare ar fi fost nu dntr-o celula unica, un ancestor unic (progenot) ci mai degraba dntr-o populatie de celule primitive care au reusit sa-si edifice un cod genetic relativ uniform i ntre care existau schimburi de informatie genetica. Prin cresterea numrului de indivizi, o parte din celule aflate la periferia populatiei, au ntlnit condiii de via diferite fata de populatia centrala, de origine. Ele si-au readaptat metabolismul pentru a rspunde noilor provocri. Probabil, primele organisme au fost de tipul arheelor actuale din care s-au desprins bacteriile i (proto)eucariotele.

Bibliografie CRUCE, M., Biologie celular i Molecular, Editura Aius, Craiova, 1999, p. 14-23; VOICULE, N., PUIU, L., Biologia molecular a celulei, Editura ALL, Bucureti, 1997, p. 8-21, 22-27

17

Probleme:1.PlanetasausatelitulcuceamaireducatoareatmosferadinSistemulSolareste: A. 96,5 % CO2, 3,5% N2, 0,005% SO2, 0,007% Ar (Venus) B. 86% H2, 14% He, 0.1% CH4, 0,1% H2O, 0,02%NH3 (Jupiter) C. 98,4% N2, 1,6% CH4 (Titan/Saturn) D. 91% vapori de H2O, 4% N2, 3,2% CO2, 1,7% CH4 (Enceladus/Saturn) 2.Privindnfigura2.2.putemadaugaofunciesuplimentara: A. Functia catalitica a nucleotidelor B. Functia informaionala a proteinelor C. Functia autocatalitica a polinucleotidelor D. Functia informaionala a aminoacizlor 3.LoculiratadesintezaaADNntrocelulapoatefiurmaritaprinadaugaredetimidinamarcatacutritiu (3HTd)nmediuldecrestere.Dece? A. Timina marcata radioactiv poate fi detectata prin autoradiografie B. Timidina este incorporata mai rapid n ADN decat adenozina C. Deoarece 3H-Td este mai radioactiv (60-90 Ci/mmol) decat 14C-Td (40-60 mCi/mmol); 1 Ci= 1 Curie D. Timina nu se regaseste n structura ARN 4.DecetiminaesteutilizatnloculuraciluluinmoleculadeADN? A. Timina este mai uor de sintetizat dect uracilul B. C. Uracilul rezultat prin dezaminarea citozinei, poate forma o legtur U-A n locul unei legaturi C-G corecte, existand riscul de alterare a informaiei genetice din ADN Uracilul este forma de-metilat a timinei, fiind un compus mai ieftin din punct de vedere energetic, fiind preferat n sinteza ARN ce are durat scurt de via

D. n decursul evoluiei uracilul a aprut mai devreme dect timina 5.ConsiderndocalebiochimicipoteticGHIJKL,caredintreetapeesteceamairecentdinpunctde vedereevolutiv? A. G-H B. H-I C. K-L D. J-K 6.Mitocondriileicloroplastele: A. Provin din procariote anaerobe B. Provin prin endosimbioza unor bacterii autotrofe cu o gazda heterotrofa C. Provin din cianobacterii primitive, incorporate i retinute de un organism protoeucariot D. Au origine arhebacteriana

18

Biologie Celulara

MATERIAL SUPLIMENTAR

From Primordial Soup to the Prebiotic BeachAn interview with exobiology pioneer, Dr. Stanley L. Miller, University of California San DiegoBy Sean Henahanhttp://www.accessexcellence.org/WN/NM/miller.html

In 1953, a University of Chicago graduate student named Stanley Miller working n Harold Urey's lab flipped a switch sending electric current through a chamber containing a combination of methane, ammonia, hydrogen and water. The experiment yielded organic compounds including amino acids, the building blocks of life, and catapulted a field of study known as exobiology into the headlines. Since that time a new understanding of the workings of RNA and DNA, have increased the scope of the subject. Moreover, the discovery of prebiotic condiions on other planets and the announcement of a bacterial fossil originating on Mars has brought new attention to the study of life's origins. I spoke with Dr. Miller n his lab at UCSD about the field he has helped to make famous, exobiology.Let start with the basics. Can you give a simple definition of exobiology? The term exobiology was coined by Nobel Prize winning scientist Joshua Lederberg. What it means is the study of life beyond the Earth. But since there's no known life beyond the Earth people say its a subject with no subject matter. It refers to the search for life elsewhere, Mars, the satellites of Jupiter and n other solar systems. It is also used to describe studies of the origin of life on Earth, that is, the study of pre-biotic Earth and what chemical reactions might have taken place as the setting for life's origin. Some 4.6 billion years ago the planet was a lifeless rock, a billion years later it was teeming with early forms of life. Where is the dividing line between pre-biotic and biotic Earth and how is this determined? We start with several factors. One, the Earth is fairly reliably dated to 4.55 billion years. The earliest evidence for life was 3.5 billion years based on findings at the Apex formation n Western Australia. A new discovery reported n the journal Nature indicates evidence for life some 300 million years before that. We presume there was life earlier, but there is no evidence beyond that point. We really don't know what the Earth was like three or four billion years ago. So there are all sorts of theories and speculations. The major uncertainty concerns what the atmosphere was like. This is major area of dispute. n early 1950's, Harold Urey suggested that the Earth had a reducing atmosphere, since all of the outer planets n our solar system- Jupiter, Saturn, Uranus and Neptune- have this kind of atmosphere. A reducing atmosphere contains methane, ammonia, hydrogen and water. The Earth is clearly special n this respect, n that it contains an oxygen atmosphere which is clearly of biological origin. Although there is a dispute over the composition of the primitive atmosphere, we've shown that either you have a reducing atmosphere or you are not going to have the organic compounds required for life. If you don't make them on Earth, you have to bring them n on comets, meteorites or dust. Certainly some material did come from these sources. n my opinion the amount from these sources would have been too small to effectively contribute to the origin of life. So while these are potential sources of organic compounds they are not essential for the creation of life on Earth? As long as you have those basic chemicals and a reducing atmosphere, you have everything you need. People often say maybe some of the special compounds came n from space, but they never say which ones. If you can make these chemicals n the condiions of cosmic dust or a meteorite, I presume you could also make them on the Earth. I think the idea that you need some special unnamed compound from space is hard to support. You have to consider separately the contributions of meteors, dust and comets. The amount of useful compounds you are going to get from meteorites is very small. The dust and comets may provide a little more. Comets contain a lot of hydrogen cyanide, a compound central to prebiotic synthesis of amino acids as well as purines. Some HCN came into the atmosphere from comets. Whether it survived impact, and how much, are open to discussion. I'm skeptical that you are going to get more than a few percent of organic compounds from comets and dust. It ultimately doesn't make much difference where it comes from. I happen to think prebiotic synthesis happened on the Earth, but I admit I could be wrong. There is another part of the story. n 1969 a carbonaceous meteorite fell n Murchison Australia. It turned out the meteorite had high concentraions of amino acids, about 100 ppm, and they were the same kind of amino acids you get n prebiotic experiments like mine. This discovery made it plausible that similar processes could have happened on primitive Earth, on an asteroid, or for that matter, anywhere else the proper condiions exist.

19

Meteorite PhotomicrographThis meteorite was found in Allende, Chihuahua, Mexico. It is a type of meteorite known as a carbonaceous chondrite and it has several extremely interesting qualities. It appears to be older than the solar system over 4.5 billion years. In addition, meteorites of this type contain many of the same amino acids that are found in living tissue. Recently, microscopic diamonds were found in this type of meteorite. These diamonds are thought to have formed when carbon in the material was compressed by a nearby exploding supernova. This photomicrograph is part of a series of photographs documenting all of the various types of meteorites found on Earth, including some that are thought to be pieces of the planet Mars.Doesn't the Panspermia theory looks at the question of ultimate origins of life n a slightly different way? That's a different controversy. There are different versions of the theory. One idea is that there was no origin of life, that life, like the universe, has always existed and got to the Earth through space. That idea doesn't seem very reasonable since we know that the universe has not always existed, so life has to happen some time after the big bang 10 or 20 billion years ago. It may be that life came to Earth from another planet. That may or may not be true, but still doesn't answer the question of where life started. You only transfer the problem to the other solar system. Proponents say condiions may have been more favorable on the other planet, but if so, they should tell us what those condiions were. Along these lines, there is a consensus that life would have had a hard time making it here from another solar system, because of the destructive effects of cosmic rays over long periods of time. What about submarine vents as a source of prebiotic compounds? I have a very simple response to that . Submarine vents don't make organic compounds, they decompose them. Indeed, these vents are one of the limiting factors on what organic compounds you are going to have n the primitive oceans. At the present time, the entire ocean goes through those vents n 10 million years. So all of the organic compounds get zapped every ten million years. That places a constraint on how much organic material you can get. Furthermore, it gives you a time scale for the origin of life. If all the polymers and other goodies that you make get destroyed, it means life has to start early and rapidly. If you look at the process n detail, it seems that long periods of time are detrimental, rather than helpful. Can you review with us some of the history and basic background of your original prebiotic experiments? In the 1820's a German chemist named Woeller announced the synthesis of urea from ammonium cyanate, creating a compound that occurs n biology. That experiment is so famous because it is considered the first example where inorganic compounds reacted to make a biological compound. They used to make a distinction between organic, meaning of biological origin, and inorganic- CO2, CO and graphite. We now know that there is no such distinction. However, it remained a mystery how you could make organic compounds under geological condiions and have them organized into a living organism. There were all sorts of theories and speculation. It was once thought that if you took organic material, rags, rotting meat, etc, and let it sit, that maggots, rats etc. would arise spontaneously. It's not as crazy as it seems, considering DNA hadn't been discovered. It was then reasonable to hold those views if you consider living organisms as protoplasm, a life substance. This all changed n 1860 when Pasteur showed that you don't get living organisms except from other living organisms. This disproved the idea of spontaneous generation. But spontaneous generation means two things. One is the idea that life can emerge from a pile of rags. The other is that life was generated once, hundreds of millions of years ago. Pasteur never proved it didn't happen once, he only showed that it doesn't happen all the time. A number of people tried prebiotic experiments. But they used CO2F, nitrogen and water. When you use those chemicals, nothing happens. It's only when you use a reducing atmosphere that things start to happen.

20

Biologie CelularaWho came up with the idea of the reducing atmosphere? Oparin, a Russian scientist, began the modern idea of the origin of life when he published a pamphlet n 1924. His idea was called the heterotrophic hypothesis: that the first organisms were heterotrophic, meaning they got their organic material from the environment, rather than having to make it, like blue-green algae. This was an important idea. Oparin also suggested that the less biosynthesis there is, the easier it is to form a living organism. Then he proposed the idea of the reducing atmosphere where you might make organic compounds. He also proposed that the first organisms were coacervates, a special type of colloid. Nobody takes that last part very seriously anymore, but n 1936, this was reasonable since DNA was not known to be the genetic material.. In 1951, unaware of Oparin's work, Harold Urey came to the same conclusion about the reducing atmosphere. He knew enough chemistry and biology to figure that you might get the building blocks of life under these condiions. Tell us about the famous electrical discharge experiment. The experiments were done n Urey's lab when I was a graduate student. Urey gave a lecture n October of 1951 when I first arrived at Chicago and suggested that someone do these experiments. So I went to him and said, "I'd like to do those experiments". The first thing he tried to do was talk me out of it. Then he realized I was determined. He said the problem was that it was really a very risky experiment and probably wouldn't work, and he was responsible that I get a degree n three years or so. So we agreed to give it six months or a year. If it worked out fine, if not, on to something else. As it turned out I got some results n a matter of weeks.

In the early 1950s Stanley L. Miller, working n the laboratory of Harold C. Urey at the University of Chicago, did the first experiment designed to clarify the chemical reactions that occurred on the primitive earth. n the flask at the bottom, he created an "ocean" of water, which he heated, forcing water vapor to circulate through the apparatus. The flask at the top contained an "atmosphere" consisting of methane (CH4), ammonia (NH3), hydrogen (H2) and the circulating water vapor. Next he exposed the gases to a continuous electrical discharge ("lightning"), causing the gases to interact. Water-soluble products of those reactions then passed through a condenser and dissolved n the mock ocean. The experiment yielded many amino acids and enabled Miller to explain how they had formed. For instance, glycine appeared after reactions n the atmosphere produced simple compounds - formaldehyde and hydrogen cyanide. Years after this experiment, a meteorite that struck near Murchison, Australia, was shown to contain a number of the same amino acids that Miller identified and n roughly the same relative amounts. Such coincidences lent credence to the idea that Miller's protocol approximated the chemistry of the prebiotic earth. More recent findings have cast some doubt on that conclusion. Taken from Leslie Orgel's Scientific American article "The Origin of Life on Earth" (Scientific American, October, 1994) You must have been excited to get such dramatic results so quickly, and with what, at the time, must have seemed like an outlandish hypothesis? Oh yes. Most people thought I was a least a little bit crazy. But if you look at methane/ammonia vs CO2/nitrogen there was no doubt n my mind. It was very clear that if you want to make organic compounds it would be easier with methane. It's easy to say that but it is quite a bit more difficult to get organized and do the experiment. The surprise of the experiment was the very large yield of amino acids. We would have been happy if we got traces of amino acids, but we got around 4 percent. Incidentally, this is probably the biggest yield of any similar prebiotic experiment conducted since then. The reason for that has to do with the fact that amino acids are made from even simpler organic compounds such as hydrogen cyanide and aldehydes. That was the start. It all held together and the chemistry turned out to be not that outlandish after all. What was the original reaction to your work n the science community? There was certainly surprise. One of the reviewers simply didn't believe it and delayed the review process of the paper prior to publication. He later apologized to me. It was sufficiently unusual, that even with Urey's backing it was difficult to get it published. If I'd submitted it to "Science" on my own, it would still be on the bottom of the pile. But the work is so easy to reproduce that it wasn't long before the experiment was validated. Another scientist was sure that there was some bacterial contamination of the discharge apparatus. When you see the organic compounds dripping off the electrodes, there is really little room for doubt. But we filled the tank with gas, sealed it, put it n an autoclave for 18 hours at 15 psi. Usually you would use 15 minutes. Of course the results were the same. Nobody questioned the chemistry of the original experiment, although many have questioned what the condiions were on pre-biotic Earth. The chemistry was very solid. How much of a role did serendipity play n the original setup?

21

Fortunately, Urey was so adamant at the time about methane that I didn't explore alternate gas mixtures. Now we know that any old reducing gases will do. CO2/hydrogen and nitrogen will do the trick, although not as well. There was some serendipity n how we handled the water. If we hadn't boiled it and run it for a week, we wouldn't have gotten such good yields of amino acids. We knew right away that something happened rather quickly because you could see a color change after a couple of days. The fact that the experiment is so simple that a high school student can almost reproduce it is not a negative at all. That fact that it works and is so simple is what is so great about it. If you have to use very special condiions with a very complicated apparatus there is a question of whether it can be a geological process. The original study raised many questions. What about the even balance of L and D (left and right oriented) amino acids seen n your experiment, unlike the preponderance of L seen n nature? How have you dealt with that question? All of these pre-biotic experiments yield a racemic mixture, that is, equal amounts of D and L forms of the compounds. Indeed, if you're results are not racemic, you immediately suspect contamination. The question is how did one form get selected. n my opinion, the selection comes close to or slightly after the origin of life. There is no way n my opinion that you are going to sort out the D and L amino acids n separate pools. My opinion or working hypothesis is that the first replicated molecule had effectively no asymmetric carbon You are talking about some kind of pre-RNA? Exactly a kind of pre-RNA. RNA has four asymmetric carbons n it. This pre-RNA must have somehow developed into RNA. There is a considerable amount of research now to try and figure out what that pre-RNA compound was, that is, what was the precursor to the RNA ribose-phosphate. Peter E. Nielsen of the University of Copenhagen has proposed a polymer called peptide nucleic acid (PNA) as a precursor of RNA. Is this is where PNA comes in? Exactly, PNA looks prebiotic. Currently that is the best alternative to ribose phosphate. Whether it was the original material or not is another issue. Can you clarify one thing? Have all of the amino acids been synthesized n pre-biotic experiments, along with all the necessary components for making life? Just turning on the spark n a basic pre-biotic experiment will yield 11 out of 20 amino acids. If you count asparagine and glutamine you get thirteen basic amino acids. We don't know how many amino acids there were to start with. Asparagine and glutamine, for example, do not look prebiotic because they hydrolyze. The purines and pyrimidines can alos be made, as can all of the sugars, although they are unstable. Your original work was published only a month apart from Watson and Crick's description of the DNA molecule. How has the field of molecular biology influenced the field of exobiology? The thing that has probably changed the outlook the most is the discovery of ribozymes, the catalytic RNA. This means you can have an organism with RNA carrying out both the genetic functions and catalytic functions. That gets around the problem of protein synthesis, which is this incredibly complicated thing. There is a problem with RNA as a prebiotic molecule because the ribose is unstable. This leads us to the pre-RNA world. The idea of the pre-RNA world is essentially the same as the RNA world, except you have a different molecule that replicates. Another thing worth remembering is that all these pre-biotic experiments produce amino acids. To have these amino acids around and not use them n the first living organism would be odd. So the role of amino acids n the origin of life is unknown but still likely. Tell us about your recent work and the lagoon idea. The primitive Earth had big oceans, but it also had lakes, lagoons and beaches. Our hypothesis is that the condiions may have been ideal on these beaches or drying lagoons for prebiotic reactions to occur, for the simple reason that the chemicals were more concentrated n these sites than n the middle of the ocean. Is this because of the temperatures and also the presence of minerals as well? Temperature is an important factor. Minerals have been thought by some to play a role n the origin of life, but they really haven't done much for us so far. People talk about how minerals might have helped catalyze reactions, but there are few examples where the mineral makes any difference. Our most recent research tackled the problem of making pyrimidines- uracil and cytosine, n prebiotic condiions. For some reason it just doesn't work very well under dilute condiions. We showed that it works like a charm once you get things concentrated and dry it out a bit. This changed my outlook on where to start looking for prebiotic reactions. Another example is our work with co-enzyme A. The business end of co-enzyme A is called pantetheine. We showed you could make this under these kind of pre-biotic "dry beach" condiions. We found that you didn't need it to be very hot, you can make it at 40 degrees C. This indicates the ease with which some of this chemistry can take place. Temperature seems to be a talking point regarding prebiotic hypotheses. We know we can't have a very high temperature, because the organic materials would simply decompose. For example, ribose degrades n 73 minutes at high temperatures, so it doesn't seem likely. Then people talk about temperature gradients n the submarine vent. I don't know what these gradients are supposed to do. My thinking is that a temperature between 0 and 10 degrees C would be feasible. The minute you get above 25 degrees C there are problems of stability.

22

Biologie CelularaHow does the discovery of the Martian meteorite factor n to the discussion? Are you convinced these are the fossilized remains of extraterrestrial microorganisms? I think the data is interesting and suggestive, but not yet conclusive. Let's accept that the meteorite does come from Mars. You have apparently got very small bacterial fossils also iron sulfide and magnetite sitting next to each other. Then there are these PAHs (polycyclic aromatic hydrocarbons). All of this is suggestive but not compelling. There are just two possibilities. Either there was life on Mars or there was not. I have no problem with the idea of life on Mars, the question remains whether this evidence is adequate. If it is correct, it has an implication for one of the big questions of prebiotic research. That is, is it easy or difficult to produce life from prebiotic compounds n prebiotic condiions? It seems that it would be difficult on Mars. If it turns out to be the case on Mars, where the condiions do not look very favorable, then it should apply to anywhere n the universe, or any planet with a suitable atmosphere and temperature. Can you tell us about the field of exobiology today n context of the world of science research? It is a very small field. There is a society, the International Society for the Study of the Origin of Life. It has only 300 members, a rather small society. My own lab is part of program called NSCORT (NASA Specialized Center of Research and Training). This program is conducted n close cooperation with NASA and supports five researchers along with graduate students, post-docs and undergraduate students. The more important research are the experiments these days, rather than the trading of ideas. Good ideas are those that when reduced to an experiment end up working. Our approach is to do experiments and demonstrate things, not just talk about possibilities. What advice do you have for students interested n pursuing studies n exobiology? Well we are talking about solving chemical problems. Therefore a background n basic chemistry is essential along with knowledge n the fields of organic chemistry, biochemistry and some background n geology and physics. Exobiology is a small field with a lot of interaction. It is one of few fields where an undergraduate would be able to work with top people n the field almost immediately. This interview was conducted n October, 1996

23

Capitolul3.Membranacelular3.1.Structuramembraneicelulare

M

embrana celular (sau plasmatic) este n esenta formata din lipide, proteine i carbohidrati, acestia din urma atasati fie de lipide, fie de proteine. Raportul molar dintre lipide i proteine variaza intre 1:4 i 4:1.

3.1.1.LipidelemembranarePrincipalele lipide ale membranei eucariote sunt fosfolipidele, glicolipidele i colesterolul. Colesterolul lipseste din membrana procariot cu exceptia unui grup restrans de bacterii, paraziti intracelulari, numite micoplasme (care provoaca, de exemplu, unele forme de pneumonii). Lipidele membranare sunt molecule amfipatice, adica au capat polar, hidrofil i unul nepolar, hidrofob (Fig. 3.1).

Fig. 3.1 Structura lipidelor membranare

Proprietatile lipidelor membranare sunt : a) In solutii apoase, membranele lipidice se grupeaza n mod spontan n micelii sau n bistrat. Spre interiorul bistratului se dispun capetele hidrofobe iar spre exterior, cele hidrofile (Fig. 3.2).

Miceliu

Lipozom

Bistrat lipidic Fig. 3.2 Dispunerea spontana a lipidelor n micelii, lipozomi sau lame bistratificate. b) Lipidele din membrana nu sunt imobile ci executa mai multe tipuri de miscari: de difuzie laterala sau translatie (foarte rapide, ele schimbandu-si locul cu vecinii lor n mai puin de 1s); de rotatie n jurul propriei axe; de flexie a capetelor hidrofobe, respectiv a lanturilor de acizi grasi (cu o mobilitate ridicata pentru acizii grasi saturati n timp ce lanturile de acizi grasi nesaturati, avand duble legaturi cu orientare cis, sunt mai rigide) i miscari de flip-flop sau de difuzie 24

Biologie Celulara

transversala (trecerea unei molecule de pe o fata a bistratului pe alta; este o miscare foarte lenta, putand dura ore). Prezenta colesterolului n diverse concentraii poate reduce mobilitatea translationala i de flexie (Fig. 3.3). Difuzie laterala (10-6 s)

Flip-flop (difuzie transversala, 105 s)

Flexie (10-9 s)

Rotatie

Fig. 3.3 Miscarile lipidelor n membrane plasmatic c) Lipidele sunt distribuite asimetric pe cele dou fete ale membranei. Membrana prezint o fata extern (de regula bogata n fosfolipide cu colina: fosfatidilcolina) i una interna, citoplasmatic (mai bogata n lipide cu amine: fosfatidiletanolamina). Tot n aceasta idee, glicolipidele sunt dispuse pe fata extern a membranei, cu gruprile glucidice proiectate n afara celulei, aceste glicolipide avand un rol importand n comunicarea celular.

3.1.2.ProteinelemembranareGruparea proteinelor membranare se poate face n funcie de interaciunea lor cu lipidele : a) Proteine integrale. Sunt greu de disociat de lipidele inconjuratoare deoarece interacioneaz puternic cu capetele lor hidrofobe, unele dintre proteine formand adevarate retele n profunzimea membranei. Proteinele transmembranare sunt proteine integrale care sunt expuse atat la exteriorul membranei cat i pe fata citoplasmica, cu alte cuvinte strabat membrana pe toata grosimea ei (Fig. 3.4). Aceste proteine pot prezenta capetele C (carboxi, -COOH) respectiv N (amino, -NH2) orientate spre aceeasi fata a membranei sau spre fete opuse. b) Proteinele periferice (proteine solubile) interacioneaz prin legaturi de hidrogen sau forte electrostatice cu capetele polare ale lipidelor sau cu partea care proemineaza n afara membranei a proteinelor integrale (Fig. 3.4).

Fig. 3.4 Dispunerea proteinelor n membrana lipidic

3.1.3.Miscareaproteinelornmembrane25

La fel ca lipidele, proteinele nu sunt imobilizate n bistratul lipidic ci executa o serie de miscari. Cea mai improbabila miscare este cea de flip-flop care este puternic restrictionata. Din aceast cauza, membrana lipidic manifesta de asemenea o tendinta de polarizare (distributie inegala) a proteinelor pe cele dou fete. In 1972, Singer i Nicholson au propus modelul "mozaicului fluid" al membranei n care proteinele executa miscari laterale, aceste miscari fiind influentate de fluiditatea membranei (Fig. 3.5). Modelul "mozaicului fluid" este n mare parte valabil cu exceptia faptului ca proteinele nu se misca haotic. Cauzele pentru care miscarile proteinelor n fluidul membranar sunt limitate sunt: cantonarea n anumite domenii membranare, jonctiunile celulare, agregarea i cresterea masei, stabilizarea prin legarea de elemente externe, pe fata citoplasmica unele proteine sunt legate de componente ale citoscheletului. Miscarea glicoproteinelor este la rndul lor limitata de necesitatea ca resturile glucidice s proemine pe fata extracelular a membranei.

Fig. 3.5 Reprezentarea modelului "mozaicului fluid" al membranei celulare.

3.1.4.FluiditateamembraneiEste o proprietate fundamentala a membranelor plasmatice i a celor care delimiteaza organitele celulare, permitand deplasarea proteinelor n bistratul lipidic, miscari care sunt importante pentru indeplinirea multor functii celulare. Fluiditatea membranelor este influentata de urmatorii factori: a) Natura mpachetarii i a interaciunilor dintre lanturile de acizi grasi (AG) aparinand fosfolipidelor membranare. Lanturile lungi ale acizilor grai interacioneaz mai puternic intre ele rezultnd o mpachetare strans, deci o fluiditate mai redus decat n cazul portiunilor membranare cu lanturi scurte de AG. Prin creterea temperaturii se poate de asemenea crete fluiditatea membranei (legaturile duble trans se rotesc cu 120o). Exist, de asemenea, o relaie direct proportional ntre temperatura de topire (Tm) i lungimea lanurilor acil. Lanturile AG nesaturai cu legturi duble cis nu se impacheteaz strans, rezultnd o cretere a fluiditii i scdere a Tm. Cu ct este mai mare numrul de legturi duble, cu att Tm este mai scazut iar fluiditatea mai ridicat. b) La animale, colesterolul se insinueaza intre lanturile de AG reducandu-le mobilitatea i crescand rigiditatea membranei. Aceasta este o adaptare a membranei animale n lipsa peretelui celular (cu rol protector la plante i bacterii). Cercetari recente arata ca efectul colesterolului asupra mobilitatii moleculelor membranare este diferit, n funcie de distanta fata de suprafaa membranei i de temperatura. La temperaturi ridicate (peste temperatura de tranzitie a fosfolipidelor), colesterolul miscoreaza fluiditatea membranei datorita scheletului rigid al inelelor sterolice, n timp ce la temperaturi joase, colesterolul mentine distanta dintre capetele hidofope ale lipidelor, diminuand interaciunile dintre acestea i contribuind la ridicarea gradului de fluiditate a membranei 26

Biologie Celulara

3.2.RolulmembraneicelulareprocesedetransportMembrana plasmatic are trei proprietati fundamentale: 1. Este un mozaic fluid (vezi la 3.1.) permitand miscarea limitata a proteinelor; 2. Este polarizata (vezi 3.1.) avand o distributie diferita de lipide i proteine de o parte i alta a ei; 3. Are permeabilitate selectiv, permitand trecerea unor substane i blocand tranzitul altora. Membrana plasmatic indeplineste mai multe roluri, vitale pentru celula : Compartimentalizarea celulelor eucariote (aspect ce va fi discutat n capitolele urmtoare) ; Suport pentru desfurarea unor reacii biochimice Bariera de protectie cu permeabilitate selectiv Transportul nutrientilor (ioni, molecule organice); Mediaza raspunsul la semnalele din mediul extern sau intern Participa la comunicarea intercelular

3.2.1.PermeabilitateaselectivamembraneipentruneelectrolitiiioniMembrana lipidic bistratificata nu este o structura inerta, impenetrabila ci este un sistem dinamic, care permite trecerea activa sau pasiva a unor categorii de compui. n general prin permeabilitate se pot intelege fenomenele de difuzie simpla, nefacilitata de alte structuri decat de cea a membranei propriu-zise. Difuzia simpla Proprietatea prin care membranele lipidice bistratificate permite trecerea unor substane i blocheaza tranzitul altor substane se numeste permeabilitate selectiv. Aceasta proprietate a fost descoperita experimental, mai intai n modele artificiale, n bistraturi lipidice, apoi n modele naturale, n membranele plasmatice. Primul care a enuntat o regula privind permeabilitatea bistratelor lipidice a fost Overton (1900): coeficientii de permeabilitate se coreleaza cu coeficientii de partitie ulei/apa ai diferitelor substane. Cu alte cuvinte, cu cat o substanta este mai hidrofob cu atat patrund n celula cu o viteza mai mare. Termeni utilizati n relatie cu permeabilitatea bistratelor lipidice :Coeficientul de permeabilitate este raportul dintre fluxul (J, cantitatea de substanta ce traverseaz suprafaa membranei n unitatea de timp, molcm-2s-1) i diferenta de concentraie (c, a substanei de pe ambele fete ale membranei, molcm-3) astfel :

P=

J (cm/s) ; c

Coeficientul de difuzie D este direct proportionala cu coeficientul de permeabilitate P i cu grosimea membranei x : D = P x (cm2/s) Coeficientul de partitie (Kp) reprezint raportul de distributie a substanei intre membrana (cm) i solutie (c) : K p =

cm cKp D x, coeficientul de permeabilitate fiind

Daca integram cele trei ecuatii de mai sus pentru a le aplica unei membrane lipidice bistratificate, obtinem urmtoarea relatie : P =

produsul dintre coeficientii de partitie i difuzie n membrana, impartit la grosimea membranei

Cea mai importanta substanta neelectrolitica cu molecula mica este apa. Membranele biologice sunt partial permeabile pentru apa care traverseaz bistratul lipidic prin difuzie libera (avand un coeficient de permeabilitate de 10-3-10-4 cm/s). Difuzia libera este un proces pasiv, care nu necesita consum de energie. Exista cazuri n care circulatia apei de o parte pe alta a membranei este controlata de ctre celula, prin intermediul aquaporinelor (proteine-canal pentru apa) din membrana eritrocitelor (hematii sau globule rosii din sange). 27

In ceea ce priveste electrolitii, masuratorile au evideniat gradul ridicat de impermeabilitate a membranelor lipidice artificiale pentru cationi (cu coeficienti de permeabilitate de cca 10-12-10-13 cm/s). Prezenta proteinelor n membranele naturale determina o crestere considerabila (de pn la 1000 de ori) a permeatiei ionilor. Acest lucru dovedeste implicarea proteinelor n transportul electrolitilor, transport care nu se mai realizeaz n mod dominant prin difuzie pasiva ca n cazul apei, ci prin transport activ. Principala bariera n calea difuziei pasive a ionilor o constituie cel mai probabil interiorul hidrofob al bistratului lipidic. Cresterea temperaturii urmata de o fluidizare mai pronuntata a membranelor lipidice artificiale determina i o crestere a permeabilitatii pentru ioni. Pe de alta parte, anionii sunt mult mai permeanti decat cationii datorita potentialului de dipol care este pozitiv i care favorizeaza trecerea prin scaderea energiei de transfer al anionilor. Cel mai permeant anion anorganic este Cl- din motive inca discutate. In privinta protonilor (H+) respectiv a ionilor hidroxil (HO-), s-a constatat ca n membranele artificiale acestia prezint proprietati de permeare apropiate cu ale apei (P=10-4-10-6 cm/s) n funcie de compozitia lipidic. n schimb, membranele naturale prezint o permeabilitate i mai mare (10-3 cm/s) fapt care indica din nou implicarea proteinelor n transportul acestor ioni.Ioni Na+, K+, H+ Ca++, Mg++, Cl-, HCO3Molecule mari, polare, neutreZaharuri: Glucoza Sucroza

Molecule mici, polare, neutreH2O, CO2, Uree

Liposolubile O2, N2, Gaze anestezice

Fig. 3.6. Difuzia simpla la nivelul membranei lipidice Difuzia simpla (a apei) are o contributie eseniala la realizarea izotonicitatii celulelor n raport cu mediul extern.

3.2.2.TransportulmediatdestructurispecialeTransportul diferitelor substane prin membrana celular poate fi mediat de o serie de molecule numite canale i transportori. Daca transportul nu necesita consum de energie, decurge n sensul gradienilor electrochimici, atunci se numeste transport pasiv (ex. difuzia simpla i difuzia facilitata). n schimb daca transportul reclama consum de energie, i se desfasoara impotriva gradientului chimic sau electric, se numeste activ. Difuzia facilitata Am vazut anterior ca unii compui precum apa dar i alti compui neelectrolitici precum glicerolul sau ureea, protonii, ionii hidroxil i ntr-o foarte mica masura anionii i cationii, pot difuza liber prin bistratul lipidic. Exista ns i alte cai pasive, neconsumatoare de energie, prin care se r