1

CITOLOGIE VEGETALA

Suport de curs anul I IDD

Specializarea Biologie

Lector. Dr. Irina Neta Gostin

2

Disciplina face parte din cadrul catedrei de Biologie vegetala si are caracter obligatoriu. Cursul este proiectat conform cerinelor nvmntului deschis la Distanta si se adreseaz cursanilor care urmeaz aceasta forma de nvmnt. Coninutul tiinific se bazeaz pe introducerea si prezentarea de noiuni noi privind structura si organizarea celulei vegetale. Se prezint rolul componentelor celulare (pentru celula eucariota), in care se pune un accent deosebit pe: - cunoaterea principalelor tipuri de organite celulare; - cunoaterea structurii si funciilor plastidelor si mitocondriilor, cu rol cheie in viata celulei vegetale; - identificarea particularitilor ultrastructurale ale celulei vegetale; - cunoaterea structurii nucleului si a etapelor diviziunii celulare.

Cursul este prezentat intr-o maniera accesibila si se axeaz pe necesitile concrete ale studenilor. Tematica urmrete dobndirea unor cunotine care pot oferi tuturor cursanilor anse egale in vederea formarii si perfecionrii profesionale. Tematica este structurata in 5 uniti de nvare pentru care timpul total de studiu individual necesar a fi alocat este de 28 de ore. Pe parcursul fiecrei uniti de nvare se afla inserate teste de autocontrol a cror rezolvare poate fi gsita la sfritul manualului. Testele prezentate sunt de tip complement simplu) cu un singur rspuns corect), complement multiplu (cu unul sau mai multe rspunsuri corecte) i ntrebri de tip eseu (pentru elaborarea crora nu trebuie sa se depeasc 2000 de cuvinte)

In urma parcurgerii materialului de studiu precum si in urma efecturii lucrrilor practice studenii trebuie sa i nsueasc principalele metode de lucru utilizate in citologia vegetala, sa recunoasc principalele organite celulare la microscopul optic si la microscopul electronic.

3

PROGRAMA ANALITICA

Denumirea disciplinei Citologie vegetala

Codul disciplinei Semestrul I Numrul de credite 5

Facultatea

Biologie

Numrul orelor pe semestru/activitati

Profilul

Ecologie i protecia mediului -

ID

Total

SI

TC

AT

AA

Specializarea

Biologie

28 28 28

Categoria formativ a disciplinei DF-fundamental, DG-general, DS-de specialitate, DE-economic/managerial, DU-

umanist

DF

Categoria de opionalitate a disciplinei: DI-impus, DO-opional, DL-liber aleas (facultativ)

DI

Discipline Anterioare Obligatorii

(condiionate)

Recomandate

Obiective

- cunoasterea structurii celulei vegetale

- cunoasterea tipurilor de organite celulare si a functiilor acestora

- descrierea proceselor de diderentiere si dediferentiere celulara

- evidentierea particularitatilor ultrastructurale ale celulei vegetale

Coninut (descript

ori)

CURS 1. Metode, tehnici i instrumente de studiat celula (vie i fixat). Noiuni sumare

referitoare la compoziia chimic a organismelor vegetale. 2. Alctuirea celulei vegetale i a celulei animale: 1. form i mrime; 2. pri

componente; 3. trsturi proprii; 4. structura celulei procariote; 5. structura celulei eucariote (sistemul membranar, citoplasma).

3. Organitele citoplasmatice - reticul endoplasmic. 4. Ribozomi i aparatul Golgi. 5. Lizozomii, microcorpii, sferozomii, corpi paramuralii, citoscheletul. 6. Structuri pluritubulare (centru celular, cili, flageli); mitocondriile. 7. Plastide (proplastide, cloroplaste, amiloplaste, carotenoplaste). 8. Nucleul: 1. n cursul interfazei (morfologie i structur: anvelop, nucleol,

cromatin, nucleoplasm); 2. n timpul mitozei (cromozomi, anvelop, nucleol). 9. Diviziunea celulei: Mitoza (cariocineza, citocineza). 10. Meioza (diviziunea heterotipic i homeotipic); diferenele fundamentale ntre

mitoza i meioz, semnificaia meiozei. 11. Incluziunile celulare vegetale: 1. incluziuni lichide (vacuolele); 2. incluziuni

inerte (granule de amidon i de aleuron, cristale). 12. Peretele celular: 1. origine; 2. constitueni de baz; 3. texturi helicoidale; 4.

fluxul membranar i formarea peretelui; 5. creterea peretelui. 13. Modificrile secundare chimice ale peretelui (cutinizare, cerificare, suberificare,

lignificare, mineralizare, gelificare, lichefiere). 14. Diferenierea i dediferenierea celular

4

LUCRARI PRACTICE 1. Metode i tehnici utilizate n citologia vegetal, la microscopul fotonic i la cel

electronic, aparate, ustensile, reactivi, n vederea obinerii preparatelor temporare i permanente.

2. Forma i mrimea celulelor vegetale 3. Elementele constitutive de baz ale celulei vegetale: identificarea peretelui,

nucleului, citoplasmei, vacuolei (Allium cepa): colorate cu soluie Lugol i folosind coloraia vital cu rou neutru.

4. Evidenierea plasmalemei i a tonoplastului (Ligustrum vulgare) prin fenomenele de turgescen i plasmoliz

5. Evidenierea micrilor intracelulare: cicloza de rotaie (Elodea canadensis) i de circulaie (Tradescantia discolor).

6. Organite citoplasmatice: plastide 7. Nucleul: la procariote i la eucariote: numr, forma, mrime, poziie, colorare 8. Incluziuni ergastice: lichide: inulin ; antociani ; picturi lipidice; solide:

granule de aleuron 9. Granule de amidon - coloraie, observaie n lumin polarizat, cristale de

oxalat de calciu 10. Peretele celular: natur chimic: reacii i coloraii diferite;punctuaii: simple i

areolate; tipuri de ngrori: centrifugale i centripetale; plasmodesme 11. Modificri chimice secundare ale peretelui, evideniate prin diferite reacii de

colorare: cutinizarea , cerificarea, suberificarea, lignificarea, mineralizarea, gelificarea

12. Diviziunea celular: mitoza 13. Meioza (n antera staminei de Lilium candidum).

Colocviu

Forma de evaluare (E-examen, C-colocviu/test final, LP-lucrari de control) E

Stabilirea notei finale (procentaje)

- rspunsurile la examen/colocviu/lucrari practice 50%

- activitati aplicative atestate /laborator/lucrri practice/proiect etc

50%

- teste pe parcursul semestrului

- teme de control

Bibliografia 1. Bronchar R., 1990 - Guide des travaux pratiques de biologie de la cellule vgtale. Univ. Liege

2. Cruce M., 1999 Biologie celular i molecular, Ed. Univ. Craiova 3. Moens P., Auquiere I.P., 1990 - Biologie gnrale et vgtale. I.

Introduction biochimique. II. Cytologie. Imprimrie Drouaux, Liege 4. Strasburger E., 1999 - Lehrbuch der Botanik (ed. 34). Spektrum

Akademischer Verlag, Heidelberg 5. Toma C., Ni M., 2000 - Celula vegetal, Ed. Univ. "Al. I. Cuza" Iai

Lista materialelor didactice necesare

preparate microscopice; plane, folii transparente, diapozitive, CD-ROM; preparate proaspete i conservate; microscoape; lupe; reactivi chimici;

Coordonator de Disciplin

Grad didactic, titlul, prenume, numele

Semntura

Coordonator de disciplin & tutore

Lector dr. Irina Neta Gostin

Legenda: SI-studiu individual, TC-teme de control, AT-activitati tutoriale, AA-activitati aplicative asistate

5

UNITATEA DE INVARE 1- INTRODUCERE IN CITOLOGIA VEGETAL

Celula este unitatea morfo-funcional elementar a tuturor organismelor procariote i eucariote. Ea reprezint un prim nivel de organizare a materiei vii, dotat cu capacitate de autoreglare, autoconservare i autoreproducere.

Primele forme de via, deci primele celule, au aprut n urm cu 3,5 miliarde de ani. Timp de aproape 1 500 de milioane de ani Pmntul a fost populat aproape n exclusivitate de organisme procariote anaerobe. Cu circa 1 800 de milioane de ani n urm au aprut i primele eucariote. Aceste dou tipuri de organisme i de organizare celular au coevoluat i coexist i n biosfera actual a planetei noastre.

Corpul tuturor plantelor este constituit din uniti structurale i funcionale numite celule. Unele plante au corpul alctuit dintr-o singur celul i se numesc unicelulare (bacteriile, unele alge i ciuperci). Majoritatea plantelor au corpul format din numeroase celule i se numesc pluricelulare. Celulele unui organism pluricelular sunt difereniate i specializate pentru ndeplinirea anumitor funciuni. Cu ct o plant se afl pe o treapt mai ridicat n scara evolutiv cu att numrul tipurilor de celule difereniate este mai mare (angiospermele au pn la 76 de tipuri).

Forma celulelor vegetale (fig. 1) este variat i determinat de rolul fiziologic ndeplinit, de origine, poziia ocupat n cadrul diverselor esuturi, condiiile de mediu. La plantele pluricelulare, celulele pot fi tabelare (n suber), poliedrice (n parenchimuri), stelate (n mduva tulpinii de Juncus), reniforme sau halteriforme (celulele stomatice), septate (celulele asimilatoare din frunza de la Pinus).

Figura 1 Forme de celule vegetale

Celule poliedrice

din parenchim

Celule tabulare din

suberCelule stelate din maduva

Celule stomatice

reniforme

Celule stomatice

halteriforme

Celule de forma

neregulata - sclereida

Celule poliedrice

din parenchim

Celule tabulare din

suberCelule stelate din maduva

Celule stomatice

reniforme

Celule stomatice

halteriforme

Celule de forma

neregulata - sclereida

Celule poliedrice

din parenchim

Celule tabulare din

suberCelule stelate din maduva

Celule stomatice

reniforme

Celule stomatice

halteriforme

Celule de forma

neregulata - sclereida

6

Aceste forme variate se pot grupa n dou tipuri fundamentale: celule parenchimatice, cand au un contur mai mult sau mai puin circular ori oval, axele aproape egale (celule izodiametrice, cu una din axe de cel mult 3 ori mai mare dect celelalte) i colurile mai mult sau mai puin rotunjite; celule prozenchimatice, cnd lungimea este cu mult mai mare dect limea i grosimea. Diferena dintre cele dou tipuri fundamentale este vizibil numai n seciunile longitudinale efectuate prin diferite pri ale corpului plantelor.Mai putem meniona i o a treia categorie de celule numite idioblaste, care sunt adesea izolate, de form paticular, nglobate n esuturi cu celule uniforme (celule cu tanin sau cu cristale de oxalat de calciu din mezofilul multor rozacee i fabacee, celule de forma literei T din mezofilul frunzei de ceai).

Mrimea celulelor vegetale (fig. 2 a,b) oscileaz n limite foarte mari, de la civa micrometri (i pentru observarea lor este necesar microscopul fotonic) pn la civa centimetri sau chiar metri. Prezentm doar cteva exemple : - celulele bacteriene au sub 1 micrometru; - celulele unor ciuperci inferioare (drojdia de bere) au circa 4-6 micrometri; - celulele meristematice de la plantele superioare au n medie 10-50 de micrometri; - celulele definitive ale dicotiledonatelor au ntre 30 i 50 de micrometri, iar cele de la monocotiledonate ntre 50 i 100 de micrometri; - celulele din endocarpul unor fructe de la citrice pot atinge 2-3 centimetri; - fibrele textile pot atinge 2-4 centimetri la cnep i chiar 50 de centimeti la ramie; - cenoblastul de la alga verde unicelular Caulerpa prolifera poate atinge 1 metru; - traheile (vase lemnoase) de la unele liane pot atinge 5

metri.

Figura 2a Dimensiunile celulelor vegetale

Celule de

Saccharomyces 4-6 m

Celule din apexul caulinar si radicular 10-50 m

Celule (peri) de pe tegumentul

semintei de bumbac 1- 4 cm

Fibre de in (celule

mecanice) 1015 cmCelule din mezocarpul

de portocal 1- 2 cm

Celule de

Saccharomyces 4-6 m

Celule din apexul caulinar si radicular 10-50 m

Celule (peri) de pe tegumentul

semintei de bumbac 1- 4 cm

Fibre de in (celule

mecanice) 1015 cmCelule din mezocarpul

de portocal 1- 2 cm

7

Figura 2b Dimensiunile celulelor vegetale

Talul de la Caulerpa sp. 1 mTalul de la Caulerpa sp. 1 m

8

UNITATEA DE INVARE 2 - PRILE COMPONENTE ALE CELULEI VEGETALE

Vzut la microscopul fotonic, celula apare format dintr-un coninut limitat de un perete

celular (dermatoplaste) sau, uneori, acest perete lipsete la mixomicete, zoospori, spermatozoizi (gimnoplaste). O celul vegetal este alcatuit din mai multe componente, bine definite morfologic i cu activiti vitale precis determinate, numite organite. Unele organite sunt vii i totalitatea lor alcatuiete partea vie a celulei, numita protoplast, iar altele sunt lipsite de via, constituind paraplasma.

n componena protoplastului intr: citoplasma, nucleul, plastidele, mitocondriile, ribozomii,reticulul endoplasmic, aparatul Golgi, sferozomii, lizozomii, microcorpii i corpii paramurali. Paraplasma se compune din: peretele celular, vacuomul celular, incluziunile ergastice solide.

Vzut la microscopul electronic (fig. 3), celula vegetal dezvaluie o structur mult mai complex; astfel, la o celul definitiv eucariot ntlnim, de la exterior spre interior urmtoarele

componente: peretele celular (la dermatoplaste); plasmalema (membrana ectoplasmic); hialoplasma sau citosolul (masa fundamental a citoplasmei); un sistem membranar intern, foarte dezvoltat, asemntor din punct de vedere structural i chimic cu plasmalema, format din reticul endoplasmic i aparat Golgi; organite cu membran dubl (nucleul, plastidele, mitocondriile); mici granule lipsite de membran, libere n hialoplasm sau ataate de reticulul endoplasmic, numite ribozomi; numeroase structuri filamentoase, numite microtubuli; structuri veziculare cu membran simpl: lizozomi, corpi paramurali (lomazomi i plasmalemazomi), microcorpi (peroxizomi i glioxizomi), sferozomi; alte infrastructuri: centrul celular, flagelii i cilii, toate fr membran.

Figura 3 Celula procariota si celula eucariota

Celula eucariota

Celula procariota

Celula eucariota

Celula procariota

9

2.2. Trsturi proprii celulei vegetale (figura 4)

1. Prezena peretelui celular, alctuit n principal din celuloz, hemiceluloze i substane pectice, la care se mai adaug uneori proteine, lipide, lignin, tanin, sruri minerale, este o consecin a competiiei pentru aer i lumin a grupelor de plante ce au populat mediul terestru.

2. Alte structuri caracteristice, strns legate de prezena peretelui celular, sunt punctuaiile i plasmodesmele, prin care se asigur unitatea structural-funcional dintre celulele unui esut.

3. n structura i compoziia chimic a plasmalemei predomin galactozildigliceridele; n celula animal predomin fosfatidilcolina i fosfatidiletanolamina.

4. Creterea n volum a celulelor vegetale se realizeaz prin creterea treptat a dimensiunilor aparatului vacuolar (n celula definitiv vacuola poate ocupa pn la 90% din volumul celular), n timp ce n celula animal acest proces are loc prin sporirea cantitii de citoplasm.

5. Microcorpii sunt organite specifice celulei vegetale: peroxizomii intervin n procesele de fotorespiraie, iar glioxizomii n conversia lipidelor n glucide simple.

6. n celulele vegetale gsim o foarte mare diversitate de substane de rezerv (amidon, inulin, aleuron, uleiuri, laminarin), n timp ce n celula animal este specific glicogenul.

7. Celulele vegetale conin adesea cristale de sruri organice (oxalatul de calciu) i minerale (sulfatul de calciu), n timp ce prezena acestora n celulele animale reprezint cazuri patologice.

Figura 4 Celula asimilatoare: A nucleolul; B nucleul; C citoplasma; D cloroplastul E membrana celulara; F peretele celular; G vacuola; H punctuatia; I reticulul endoplasmic; J amiloplast ; K mitocondria

I

J I

K

A

H

10

2.1. Peretele celular

Marea majoritate a celulelor vegetale sunt acoperite la exterior de un nveli solid numit perete celular, care separ celulele ntre ele, le protejeaz ntreg coninutul i le confer o anumit form stabil. Aceste celule sunt cunoscute i sub numele de dermatoplaste, prin contrast cu celulele animale, numite nude sau gimnoplaste.

Se cunosc ns i unele excepii la ambele regnuri: la plante, celulele mixomicetelor, zoosporii i gameii sunt gimoplaste, iar la animale, protozoarele foraminifere prezint un nveli calcaros.

Peretele celular a fost prima component structural observat la microscopul fotonic de ctre Robert Hooke, n 1665.

Figura 5 Peretele celular Peretele celular (figura 5) este un produs al protoplastului i rmne permanent n contact

cu citoplasma, prin intermediul plasmalemei. Formarea sa ncepe la sfritul telofazei cnd se constituie un nou perete intercelular n fragmoplast (fragmoplastul este o mas dens, n principal proteic, situat ntre cele dou grupe de cromozomi i traversat de fibre fuzoriale). n zona ecuatorial a fragmoplastului apar numeroase formaiuni granulare mici, ce conin pectine i care nu sunt altceva dect vezicule ale aparatului Golgi. Numrul i mrimea acestora cresc treptat, se apropie i fuzioneaz ntr-o plac celular (viitoarea lamel median), care crete centrifugal. n cursul apropierii i fuzionrii veziculelor golgiene, membranele lor produc plasmalemele celor dou celule vecine.

ntre vezicule se afl profile de RE, ce formeaz plasmodesmele, care trec prin punctuaiile ce rmn n lamela median. Ulterior se formeaz pereii primari ai celulelor vecine; unii autori consider drept perete primar complexul comun format din lamela median i din cei doi perei primari produi de citoplasmele celulelor noi, alturate.

Noul perete se sudeaz cu pereii laterali ai celulei iniiale (cea care a intrat n diviziune) i separ astfel celula veche n dou celule noi. La unele alge verzi, peretele se formeaz centripetal, sub forma unui inel care se nchide ca o diafragm.

Peretele celulelor meristematice i parenchimatice rmne primar, celulozo-pectic tot timpul vieii acestora. n schimb, peretele celulelor esuturilor mecanice, conductoare i

- Spre deosebire de

celulele animale care

sunt, de regul, lipsite de perete (gimnoplaste)

- Majoritatea celulelor

vegetale prezint un perete celulozo-pectic

Fibr de celuloz

Macrofi-brile

de celuloz

Molecu-l de glucoz

- Spre deosebire de

celulele animale care

sunt, de regul, lipsite de perete (gimnoplaste)

- Majoritatea celulelor

vegetale prezint un perete celulozo-pectic

Fibr de celuloz

Macrofi-brile

de celuloz

Molecu-l de glucoz

Fibr de celuloz

Macrofi-brile

de celuloz

Molecu-l de glucoz

11

protectoare se ngroa prin depuneri de material nou peste peretele primar, alctuind peretele secundar. Spre deosebire de peretele primar, care crete mai mult n suprafa, peretele secundar crete numai n grosime .

Compoziia chimic a peretelui celular este foarte variat, n funcie de grupa taxonomic. Astfel, la bacterii peretele celular este rigid datorit mureinei, componenta sa principal fiind o macromolecul care se caracterizeaz prin prezena a doi constitueni aminoglucidici: acidul muramic i N-acetil-glucozamina.

Peretele celular de la algele brune este format din celuloz, dar mai ales din alginai de calciu i magneziu i fucoidin; acidul alginic este un polimer al acidului D-manuronic, iar fucoidina este constituit din resturi de L-fucoz esterificate cu acid sulfuric.

Algele roii au peretele celular de natur celulozo-pectic, stratul intern format din celuloz, iar cel extern din pectine alctuite n principal din acid pectic asociat cu D-galactani i L-arabani.

La majoritatea ciupercilor, peretele este format din chitin, polimer de N-acetil-D-glucozamin; fac excepie oomicetalele, la care peretele este celulozic, precum i drojdiile, la care ntlnim o combinaie de glucan fibrilar i manan amorf. Unele alge verzi din ordinul Siphonales conin n perete ca substan scheletic , tot chitin.

La celelalte grupe taxonomice, pereii celulelor conin 4 grupe de substane: glucide, lipide, proteine i substane minerale. n pereii secundari pot aprea i alte grupe de substane ce nu aparin celor dinti. De regul, predomin glucidele, gsindu-se n special sub form de polizaharide, cea mai frecvent fiind celuloza. Alturi de celuloz, n mod constant se gsesc hemiceluloze (polizaharide necelulozice, cu caracter amorf, formate din pentozani, hexozani, acizi poligalacturonici i poliglucuronici) i substane pectice (polizaharide, polimeri ai acidului alfa-D-galacturonic cu arabinoza i galactoza).

Wardrop, 1963 mparte constituenii chimici ai peretelui celular, dup rolul lor structural, n trei grupe i anume:

- substane scheletice, cristaloide, anizotrope: celuloza, glucanii i mananii; - substane ce formeaz matricea: hemicelulozele, substanele pectice, proteinele i

lipidele; - substane ncrustante, caracteristice pereilor celulari care sufer modificri secundare:

lignina, suberina, cutina, taninurile, mucilagiile, rinile, compuii anorganici. Substanele scheletice i cele ale matricei se formeaz simultan n timpul dezvoltrii

celulare, pe cnd cele ncrustante numai dup ce peretele a atins un anumit grad de dezvoltare i nu la toate celulele.

n mare, n structura peretelui celular se disting dou componente: substana fundamental (faza continu, paracristalin, sau matricea) format, n general, din hemiceluloze i substane pectice, i structurile fibrilare (faza discontinu, cristalin) formate din celuloz, nglobate n substana fundamental, cu rol de liant.

Celuloza (fig. 6) este un polimer liniar, neramificat, alctuit din 5000-35000 molecule de D-

glucopiranoz, legate 1,4- -glicozidic. Macromolecula de celuloz are o lungime de circa 15000 i o grosime de aproximativ 7 . Unitatea structural a celulozei este celobioza.

Celuloza este insolubil n ap i solveni organici, solubil n reactivul Schweitzer (soluie amoniacal de hidroxid de cupru). Se coloreaz n albastru cu reactivul Schultze (cloroiodura de zinc) sau cu soluie bazic de albastru de toluidin i n rou cu reactivul Genevez (rou de Congo i crisoidin) i cu soltie acid de orcein. Spre deosebire de amidon, celuloza nu se coloreaz direct cu iodul, ci numai dup o prealabil hidroliz cu acid sulfuric (situaie n care coloraia final este albastr).

Prin tehnica curent de dubl colorare a preparatelor microscopice (verde iod i carmin alaunat), coloraia roz a peretelui celular nu este specific numai celulozei, ci i hemicelulozei, calozei i substanelor pectice.

Microscopia electronic a permis decelarea unitilor de constituie ale celulozei: formaiunea submicroscopic fundamental este fibrila elementar (micela), format din 100 de

lanuri de -glucopiranoz, asociate n diverse moduri n cristalite. Se apreciaz c un lan de -glucopiranoz are o suprafa de 3,3 nm, iar o fibril elementar de circa 300 nm; micelele sunt constituite din 70% celuloz cristalin i 30% celuloz amorf.

Fibrilele elementare se asociaz n uniti superioare numite microfibrile. O microfibril rezult din asocierea a circa 20 de fibrile elementare; legtura dintre fibrilele elementare este realizat de celuloza amorf (paracristalin), care ocup spaiile intermicelare, estimate la circa 1

12

nm. Prin asocirea intim a circa 250 microfibrile rezult o fibria, iar prin unirea a 1 500 de fibrile rezult o fibr macroscopic (I.Anghel i colab., 1981).

Figura 6 Celuloza Biodegradarea celulozei se realizeaz prin hidroliz catalizat de celulaze, n urma creia

se elibereaz oligomeri (glucanohidrolaze), celobioz (celobiohidrolaze) sau glucoz (glucohidrolaze). Relativ puine organisme sintetizeaz celulaz i, deci, pot utiliza direct aceast biomas disponibil. Plantele verzi, care produc cea mai mare cantitate de celuloz, nu au activitate celulolitic deosebit, fiind practic incapabile s catabolizeze acest compus. Dintre animale, rumegtoarele, realiznd o digestie simbiotic, reuesc s catabolizeze celuloza; activitatea de celuloliz este restrns practic la microorganisme: bacterii, protiste, ciuperc i.

Pectinele constituie cea mai mare parte din lamela median, care menine mpreun celulele unui esut. Locul de sintez al pectinelor l reprezint aparatul Golgi. Se coloreaz specific n roz cu rou ruteniu. Plantele dispun de pectinaze care hidrolizeaz legturile dintre acizii galacturonici ai pectinelor. Remanierea acestor polizaharide reprezint un proces natural frecvent, fie n cursul creterii, fie la sfritul maturrii celulei.

Hemicelulozele sunt macromolecule cu un grad mai sczut de polimerizare, comparativ cu celuloza. n structura lor intr pentoze (xiloza, arabinoza) i mai puin hexoze (manoza, galactoza), acid glucuronic i acid galacturonic. Spre deosebire de celuloz, hemiceluloza poate fi utilizat de plant ca substan de rezerv, deoarece conine o enzim, hemicelulaza, care o poate hidroliza pn la oze simple.

Ultrastructura peretelui celular. Se apreciaz c primele straturi dinspre lamela median sunt mai bogate n substane pectice i hemicelulozice, cantitatea de celuloz crescnd treptat spre interior. Cercetrile de microscopie electronic au evideniat c textura fibrilar are o orientare determinat; fibrilele celulozice prezint o dispoziie paralel pe faa extern a peretelui i aproape perpendicular pe cea intern, n raport cu axul longitudinal al celulei. Orientarea fibrilelor n peretele primar anizotrop reprezint un rspuns al celulei n cretere fa de turgescena celular, iar textura acestuia este reticulat.

Peretele secundar este, de asemenea, anizotrop, dar conine mai mult celuloz, iar n plus are i substane de ncrustaie: cutina, suberina, ceara, lignina, mucilagii, sruri, rini. Este heterogen, fiecare din cele trei straturi ale sale (S1, S2, S3) avnd structur proprie, situaie vizibil ndeosebi la vasele de lemn i fibrele de sclerenchim.

Stratul S1 (extern) este gros de 0,12 0,35 micrometri (ocup 5-11% din perete); este format din 4-6 lamele de microfibrile celulozice, avnd structur aparent reticulat.

Stratul S2 (mijlociu) ese cel mai gros (ocup 74-84% din perete); are 30-150 de lamele foarte apropiate, iar microfibrlele de celuloz au dispoziie helicoidal, deci textura este paralel, dar difer direcia de nfurare n diferite lamele.

Stratul S3 (intern) este gros de 0,07-0,08 micrometri; are doar 2-3 lamele de microfibrile celulozice, iar direcia lor de nfurare n lamele alterneaz, deci textura este reticulat (fig. 7).

13

Figura 7 Peretele celular (schema) Figura 8 Peretele celular (imagine la microscopul electronic cu transmisie TEM) Peretele primar este plastic, extensibil i, deci, permite alungirea organelor; peretele

secundar este elastic, dar nu plastic (el se formeaz atunci cand celulele, deci i organele, au ncetat s mai creasc).

Modificrile chimice secundare ale peretelui celular pot fi clasificate astfel: 1. apoziii lipidice: cutinizare, cerificare, suberificare; 2. ncrustaii cu polifenoli: lignificare; 3. ncrustaii cu sruri minerale: mineralizare (silicificare, calcificare); 4. modificri cu rol degenarativ: gelificare i lichefiere. Unii autori consider cutinizarea, cerificarea, suberificarea, lignificarea i mineralizarea ca

modificri fizice ale peretelui celular, iar gelificarea i lichefierea drept modificri chimice. Cutinizarea i cerificarea constau n impregnarea i acoperirea pereilor externi ai celulelor

epidermice cu substane de natur lipidic, numite cutina i ceara. n general, celulele situate la

14

suprafaa organelor aeriene au pereii acoperii de o cuticul (fig. 9), n care se disting ceruri (extractibile cu cloroform, benzen, hexan) i un polimer insolubil numit cutin.

Figura 9 - Cuticula Cuticula are un rol foarte important n echilibrul hidric al plantei, reducnd evaporarea apei

n atmosfer; apariia sa n cursul evoluiei a fost esenial pentru dezvoltarea plantelor n mediul aerian. n caz de uscciune, stomatele se nchid i atunci transpiraia cuticular devine determinant pentru adaptarea la viaa n mediul uscat. Cuticula intervine, de asemenea, n reglarea umiditii de la suprafaa organelor, eliminarea substanelor volatile, aprarea mpotriva factorilor externi (vnt, poluani, parazii); de cuticul depinde puterea de ptrundere a erbicidelor n plante.

Ceara i cutina constituie complexul cuticular. Cuticula se coloreaz cu diferii reactivi (rou Sudan III, tetraoxid de osmiu). Grosimea sa variaz n funcie de condiiile ecologice n care crete planta: astfel, plantele submerse au o cuticul foarte subire (uneori chiar poate lipsi), n timp ce xerofitele au cuticula foarte groas; la frunzele de mslin, laur, afin ea poate atinge 10-20 de micrometri.

Cerurile se afl incluse fie n ochiurile polimerului de cutin (ceruri intracuticulare), fie se prezint sub forma unor proiecii superficiale de forme variate plci, tubuli, bastonae, panglici reprezentnd aproximativ 90% din ceara total (ceruri epicuticulare).

Formarea cerurilor este fotostimulat, cele epicuticulare fiind responsabile de reflexiile albstrui sau glauce ale epidermei. La trestia de zahar i la unii palmieri de cear (Copernicia cerifera, Klopstochia cerifera), pe tulpin, ceara formeaz o pelicul ntrerupt numai la nivelul stomatelor; la un alt palmier de cear, Ceroxylon andicola, stratul de cear poate atinge 5 mm grosime, putnd fi colectat i valorificat.

n ceea ce privete biodegradarea cutinei: n natur, aceasta este reciclat de microflora solului (bacterii, levuri); unele ciuperci saprofite pot fi cultivate pe substrat de cutin ca unic surs carbonat. Mamiferele posed lipaze care degadeaz acest polimer.

La nivelul plantei au loc procese de cutinoliz variate:- mrirea suprafeei epidermice implic extinderea cuticulei, ce se realizeaz prin slbirea reelei moleculare i intususcepiunea

cuticula

epiderma

stomate

cuticula

Pinus

sylvestris,

frunze

aiculare

Seciune transversal prin frunza de la Pinus sylvestris

Seciune transversal prin tulpina de la Sambucus nigra

cuticula

epiderma

stomate

cuticula

Pinus

sylvestris,

frunze

aiculare

Seciune transversal prin frunza de la Pinus sylvestris

Seciune transversal prin tulpina de la Sambucus nigra

15

unor noi segmente hidrocarbonate; - epiderma ce protejeaz suprafaa receptoare a stigmatului are celule cu pereii externi cutinizai, motiv pentru care tubul polinic trebuie s elaboreze o cutinaz care s realizeze o digestie local n urma creia s poat ajunge la ovul; - multe ciuperci parazite ptrund n planta gazd elabornd o cutinaz fungic; unele specii de plante au dobndit capacitatea de a elabora inhibitori selectivi ai producerii sau ai activitii cutinazelor.

Figura 10 Ceara epicuticulara a suprafata unei seminte de cactus, b suprafata unei

petale de musetel, c intresuperea stratului de ceara pe samanta de cactus, d aspectul ondulat al cerii epicuticulare pe samanta de cactus

Suberificarea const n impregnarea pereilor celulozici cu suberin (de natur lipidic).

Procesul de suberificare privete organe relativ n vrst, adesea cu structur secundar; rareori,

Figura 11 - Suberul

epidermacuticula

suber

epidermacuticula

suber

16

suberificarea reprezint un rspuns la rniri (cnd epiderma este distrus), rezultnd un suber de cicatrizare. n celulele de suber adcrustarea de lipide are loc centripetal afectnd toi pereii celulari, fcndu-i impermeabili pentru lichide i gaze, mpiedicnd schimburile dintre celule i mediul extern, conducnd la moartea acestora. De aceea funciile de izolare i protecie caracteristice suberului se realizeaz numai ce ctre perei atunci cnd celulele mor.

Suberificarea poate fi total la fag, salcie sau parial la plop, arar. Lignificarea const n impregnarea pereilor celulozici cu lignin, compus de natur

polifenolic, care nconjoar microfibrilele de celuloz, umplnd spaiile dintre ele, mrind duritatea, rezistena mecanic i chimic a peretelui, micorndu-i flexibilitatea. Poate fi total (n sclerenchimul trziu) sau parial (n xilemul timpuriu). Este un proces ireversibil, propriu cormofitelor, ndeosebi vaselor de lemn i elementelor de sclerenchim, rareori celulelor epidermice (ca la poaceeee).

Pereii lignificai au o

organizare ternar, cuprinznd un schelet microfibrilar de celuloz foate bine organizat, o matrice amorf predominant glucidic i o reea de polifenoli ncrustai.

ntre biopolimerii elaborai pe suprafaa globului, ligninele ocup locul al doilea dup celuloz, mpreun reprezentnd 60-80% din biomasa terestr. Din punct de vedere biochimic, ligninele rezult din copolimerizarea a trei polimeri: alcoolul cumarilic, alcoolul coniferilic i alcoolul sinapilic. n practica

forestier i n industria lemnului se noteaz cu G lignina de conifere i cu S lignina de angiosperme, diferena datorndu-se procentajului cu care particip cei trei monomeri cu valoare chemotaxonomic.

Figura 12 Sectiune prin tulpina de curpen de padure (Clematis vitalba) coloratie cu safranina (rosu structuri formate din celule cu pereti ingrosati si lignificati) si fast green (albastru structuri formate din celule cu pereti subtiri, celulozici)

Celulele care-i lignific pereii celulari sunt decelabile la microscopul fotonic prin utilizarea

unor colorani specifici; astfel, prin metoda dublei colorri cu verde iod-carmin alaunat sau albastru de metilen- rou ruteniu sau safranin-fast green se pot distinge structurile lignificate de cele nelignificate. Caracteristice pentru lignificare sunt reaciile cu sulfat de anilin i acid sulfuric, care confer ligninei o culoare galben aurie (deci nuaneaz culoarea natural a ligninei, care este cea galben), precum i cea cu fluoroglucin i acid clorhidric, care o coloreaz n rou.

17

Lignificarea pereilor are numeroase consecine agro-alimentare i industriale; ele merg de la reducerea digestibilitaii furajelor pn la necesitatea de a rafina pastele de hrtie. n cazul maturrii rachiului i a coniacului, calitile lor gustative vin n mare parte din ligninele care s-au dizolvat din butoaie de stejar, unde ele trebuie s stea mai muli ani. O fracie de polimeri fenolici este degradat i oxidat, trecnd n mediul hidroalcoolic; principalul produs aromatic de maturare este vanilina (aldehida cinamic).

Lignina este foarte greu biodegradabil; numai anumite bacterii i cteva ciuperci (Polyporus) sunt capabile s produca peroxidaze i n prezena apei oxigenate s produc o lignoliz complet.

Mineralizarea este procesul de impregnare a pereilor celulari cu diferite sruri minerale i organice, ceea ce le confer rigiditate, soliditate i rezisten. Substanele ncrustante sunt reprezentate mai cu seam de carbonat de calciu i dioxid de siliciu. Calcificarea poate conduce la algele roii din genul Corallina la formarea unui fel de carapace protectoare foarte dur, care le confer aspectul unor pietre. La plantele superioare, calcificarea pereilor este localizat: astfel, n pereii unor peri protectori numii peri cistolitici (de la cnep, hamei, mierea ursului) ntlnim concreiuni amorfe care le confer o anumit rigiditate; n frunza de la Ficus exist structuri numite cistolii, n care un repliu intern din perete funcioneaz ca loc de acumulare calcaroas pe un schelet celulozic. Dizolvarea carbonatului de calciu se poate realiza, pe o seciune transversal prin frunz, cu ajutorul unei picaturi de acid acetic glacial.

Silicificarea poate fi ntlnit la algele unicelulare din grupa diatomeelor (fig. 13), peretele acestora fiind constituit din dou valve silicificate, inextensibile, foarte fin ornamentate. Tulpinile poaceelor i ciperaceelor au pereii celulelor epidermice mineralizai,cu o cantitate apreciabil de dioxid de siliciu (la poacee, din aceast cauz marginile frunzelor devin tioase), iar la speciile de ferigi din familia Equisetaceae exist mult acid silicic (motiv pentru care animalele care le consum pot manifesta fenomene de hematurie). n cazul perilor de la Urtica dioica (fig. 14), cea mai mare parte a peretelui este calcificat; doar vrful este silicificat, ceea ce determin ruperea lui n punctele diferit mineralizate i transformarea ntr-un minuscul vrf de ac de sering, care se adncete n piele, lsnd s difuzeze coninutul celular urticant. Gelificarea este procesul prin care compuii pectici se mbib cu ap, se hidrolizeaz, transformndu-se ntr-o masa gelatinoas. Lichefierea poate urma gelificrii i const n dizolvarea i dispariia peretelui celular. Ambele sunt procese de degradare controlat a peretelui celular (autoliz), frecvent ntlnite la celulele esuturilor definitive (de exemplu, liza pereilor comuni dintre

Figura 13 Imagini SEM ale unor diatomee - (A) Biddulphia reticulata. (B) Diploneis sp. (C)

Eupodiscus radiatus. (D) Melosira varians.

Figura 14 Par tector si secretor de pe frunza de urzica Urtica dioica

18

articulele vaselor de lemn numite trahei de la angiosperme; fuziunea de celule secretoare ce alctuiesc reeaua de laticifere). Mucilagiile care rezult n urma gelificrii pot fi pectice, calozice, celulozice i pectocelulozice. Depunerea mucilagiilor pe pereii celulari se ntlnete la numeroase semine, n celulele tegumentului seminal de la in, gutui, traista ciobanului. De asemenea, se mai pot ntlni mucilagii n endospermul seminelor de la unele fabacee, n celule izolate (idioblaste) din parenchimurile corticale i medulare ale tulpinilor unor malvacee, tiliacee, sterculiacee, ramnacee. Unii perei celulari dispar prin aceste transformri i se formeaz buzunare sau pungi cu mucilagii (la prun, migdal, cire, tei). La plantele acvatice, mucilagiile exud i formeaz n jurul plantei un strat protector. n tehnicile de laborator, mucilagiile se evideniaz cu soluii de eozin, hematoxilin i albastru de toluidin, cnd se coloreaz metacromatic n nuane de rou-violet . Abscizia. Cderea frunzelor, petalelor, fructelor nu se datorete numai unei simple rupturi a esuturilor senescente sub aciunea factorilor externi, ci este i rezultatul unui ansamblu de modificri biochimice i structurale ce afecteaz celulele situate la baza organului i care constituie zona de separaie. Aceast activitate celular conduce la dizolvarea lamelei mediane. Abscizia este indus de o modificare a balanei fitohormonale; auxina acioneaz ca retardant, iar etilena i acidul abscizic sunt accelerani. Punctuaiile. Se edific nc din telofaz, o dat cu formarea plcii celulare discontinue, traversat pe alocuri de profile de RE i de filamente ale fusului de diviziune, prefigurndu-se punctuaiile (prin care trec plasmodesmele (fig. 15): manoane cilindrice limitate de plasmalema celor dou celule alturate); la nivelul punctuaiilor nu se depun ulterior substane celulozo-pectice n pereii primar, i mai ales, secundar.

Pot fi: simple canalicule simple sau ramificate (circulare sau eliptice n seciune transversal) la nivelul peretelui secundar, fiind formate din cavitate, deschidere, fundul punctuaiei; sunt prezente ntre celulele de parenchim, mecanice, protectoare; areolate: peretele secundar se deprteaz de cel primar n dreptul punctuaiei (format din cavitate, deschidere i fundul punctuaiei, cu torus la gimnosperme i fr torus la angiosperme); sunt prezente ntre vasele de lemn; semiareolate ntre un vas de lemn i o celul de parenchim.

Figura 15 - Plasmodesme

19

2.2. Plasmalema Este o membran biologic simpl, elementar, unitar, trilamelar, de natur lipoproteic, cu grosimea medie de 7,5 nm. La celulele vegetale este acoperit de peretele celular, n timp ce la cele animale asigur contactul cu mediul extern. Funcii: barier semipermeabil ce permite selectarea schimburilor ntre celul i mediul extern, asigur recunoaterea moleculelor informaionale i transmiterea mesajelor n interiorul celulelor, are rol esenial n biogeneza peretelui celular. Pe baza datelor acumulate referitoare la compoziia chimic i proprietile fizice i fiziologice ale plasmalemei, au fost elaborate mai multe modele ipotetice privind ultrastructura i organizarea ei molecular. Primele modele au fost elaborate de Danielli i Harvey (1935), Davson i Danielli (1943): potrivit acestor modele, plasmalema const dintr-un strat bimolecular de fosfoaminolipide avnd grosimea de 2,5 nm, acoperit pe ambele fee de cte un strat subire de proteine, fiecare de cte 2,5nm. Fosfoaminolipidele sunt asociate prin grupri hidrofobe, nencrcate electric, orientate fa n fa, iar gruprile hidrofile, ncrcate electric, sunt orientate spre straturile proteice. Faptul c aceeai structur tripartit s-a dovedit a fi prezent i n cazul membranelor de la nivelul RE, a dictiozomilor, mitocondriilor, plastidelor, nucleului .a., l-a condus pe Robertson n 1959 la elaborarea conceptului de membran unitar. Singer si Nicolson, 1972 au elaborat un nou model de organizare molecular a membranei plasmatice, pe care l-au numit fluid mosaic model (fig. 16). Conform acestui model, plasmalema este constituit dintr-o ptur dubl, continu, de natur lipidic, n care sunt nglobate, din loc in loc, macromolecule proteice, izolate. Proteinele membranare sunt numeroase i variate, dar mereu globulare; unele sunt proteine periferice (extrinseci), altele sunt proteine integrate (intrinseci).

Figura 16 Modelul mozaicului fluid

Lipidele i proteinele se deplaseaz unele fa de altele n membran sub efectul agitaiei termice .

Cercetrile electronomicroscopice, corelate cu cele biochimice, au reliefat asimetrie n privina compoziiei n lipide a membranei pe cele doua fee. Se apreciaz c, compoziia n lipide

proteine

lipide

20

variaz cu unitatea taxonomic de referin i cu tipul de membran. n privina cantitii se constat o scdere procentual a lipidelor n raport cu proteinele n membranele energizante ale plastidelor i mitocondriilor.

ntre funciile principale ale plasmalemei (fig. 19) menionm pe cea de endocitoz, proces legat de absorbia pe suprafaa celulei a macromoleculelor dizolvate n ap n cazul pinocitozei (fig. 17), sau a anumitor particule n cazul fagocitozei (fig. 18); o poriune de plasmalem se invagineaz, se umple cu picturi de ap, se desprinde de suprafaa celulei, rezultnd o pinocit (endocit) ce se detaeaz i acum se numete fagocit (liber n hialoplasm). Tot n hialoplasm se afl, ntre altele, i lizozomi (rezultai din fragmentarea RE) ce conin hidrolaze; dac membrana lor se dizolv, hidrolazele vor trece n hialoplasm; dac ei fuzioneaz cu fagozomii, rezult citolizomi, n interiorul crora hidrolazele vor asigura degradarea compuilor venii din exterior i acumulai n fagozomi.

Figura 17 - Pinocitoza

Figura 18 - Fagocitoza

plasmalema

Vezicula de

pinocitoza

21

Figura 19 Plasmalema (valuta la microscopul electronic cu transmisie) Evidenierea plasmalemei la microscopul fotonic se poate realiza prin procesul de

plasmoliz; n prezena unei soluii hipertonice, ca de exemplu soluia de NaCl, celula pierde apa, hialoplasma se contract, se deprteaz de perete, antrennd astfel dup ea plasmalema. Ea rmne, totui, aderent de perete n anumite puncte, de unde i prezena unor prelungiri sau tractusuri fine (numite i filamentele Hecht), constituite numai din plasmalem, care poart picturi foarte fine de citoplasm, separate de masa celular.

2.3. Hialopasma Este substana fundamental a citoplasmei, numit i citosol, care cuprinde: - o parte structurat, alcatuit din numeroase tipuri de proteine fibrilare i globulare, unite prin microfilamente i microtubuli; - un lichid coninut n ochiurile reelei fibrilare proteice, care cuprinde 70% ap i 30% compui organici i minerali. n hialoplasm se afl i poliribozomi liberi particule ribonucleoproteice implicate n proteinosintez; proteinele rezultate alctuiesc matrixul citoplasmei, microtubulii, microfilamentele, membranele diferitelor organite. Hialoplasma este un sistem de substane macromoleculare n stare coloidal. Coloizii macromoleculari sunt de tip hidrofil: particulele dispersate au afinitate pentru ap i pot fi mai mult sau mai puin vscoase (datorit frecrii dintre ele sau datorit legturilor ce persist ntre ele). Aceti coloizi hidrofili, cu macromolecule proteice filamentoase, realizeaz un fel de reea tridimensional care include: apa liber (mediul dispersant) i macromolecule mici (mediu dispersat) ntre elementele citoscheletului (microtubuli, microfilamente), cum ar fi acizii aminici, nucleotide, glucoz, fosfolipide, ioni de K, Mg, Ca.

n celula vegetal vie, coninutul de ap ajunge la 85-90%. Exista 5 forme de ap celular: apa n exces, a crei pierdere nu produce perturbri n celul; apa metabolic, a crei eliminare nu provoac moartea celulei, dar perturb metabolismul; apa vital, a crei pierdere produce moartea celulei (n general, o pierdere de 25-30% produce acest fenomen; unii muchi rezist la o deshidratare de pn la 95%); apa rezidual, care se poate nc extrage dup moartea celulei; apa legat (3-4% din apa celular), care face parte din moleculele proteice i nu poate fi extras.

ntre macromolecule persist fore de coeziune intermacromoleculare, ce creeaz o reea n ochiurile creia se afl ap liber, mici molecule organice solubile, ioni. Hialoplasma are o anumit rigiditate (mai ales la periferie), care variaz n cursul diviziunii celulare; sub influena diferiilor factori ea poate suferi transformri reversibile de la starea de sol (cu particule mici, puin mbibate n solvent i dispersate) la cea de gel (cu particule voluminoase, puternic mbibate cu solvent, aderente ntre ele), precum i de la starea de gel la cea de sol, fenomen numit tixotropie.

22

Figura 20 Cicloza de rotatie

Figura 21 Cicloza de circulatie

Citoplasma vie se caracterizeaz prin mobilitate numit cicloz; aceasta este de dou tipuri: cicloza de rotaie (fig. 20), cnd celula are o vacuol mare, central, citoplasma fiind parietal; are loc totdeauna n acelai sens, antrennd n micare organitele din ea; la diferite celule, sensul ciclozei este diferit; cicloza de circulaie (fig. 21), cnd vacuola este traversat de cordoane citoplasmice; are loc n sensuri diferite de-a lungul trabeculelor. Viteza de deplasare a citoplasmei variaz foarte mult n aceeai celul (n medie 50 de micrometri / secund), fiind mai mare la celulele tinere. Cicloza este influenat de diveri factori (lumina, temperatura, variaiile osmotice), care pot fi suspendai temporar prin aciunea anestezicelor. Prin cicloz, deplasarea organitelor celulare favorizeaz schimburile de materie i energie n interiorul celulei, transporturile de metabolii sau de produi ai catabolismului, rennoirea constituenilor celulari.

23

Compoziia chimic a hialoplasmei: ap 80%; compui organici glucide, lipide, proteine: 75% din materia organic a celulei i compui minerali, fie n stare de sruri disociate n ionii lor n apa hialoplasmei, fie legai chimic de molecule organice (ca de exemplu fosforul, n acidul fosforic al acizilor nucleici). Funciile hialoplasmei: sediul unui mare numr de reacii ce constituie metabolismul intermediar; sediul a mii de enzime ce catalizeaz reacii n urma crora au loc biosinteze de acizi grai, acizi aminici, nucleotide; suportul organitelor celulare, deplasarea acestora i fluxul membranar determinnd micarea de cicloz.

2.4. Reticulul endoplasmic (RE)

A fost descoperit de K. Porter n 1945 la microscopul electronic. Este un sistem complex de caviti (sacule, cisterne, vezicule) sau canalicule fin ramificate i anastomozate, aflate n citoplasm. Toate aceste formaiuni sunt delimitate de citosol prin membrane simple, lipoproteice cu grosime de 7,5 nm. Membranele RE au legturi cu diferite organite (fig. 22): nucleu, ribozomi, dictiozomi, dar i cu plasmalema, avnd rol n sinteza i conducerea substanelor proteice n compartimentele celulare. RE este mai dezvoltat n celulele difereniate dect n cele meristematice. Sructura lamelar a RE granular (RE g) (fig. 23, 24). Elementele caracteristice acestui tip de RE sunt lamelele fine (cisterne, sacule sau caviti aplatizate) dispuse adesea ntr-un fel de foie paralele, ale cror membrane sunt tapisate cu ribozomi, granule sferice cu diametrul de 15 nm, lipsite de membran i care conin 60% ARN i 40% proteine; acetia se fixeaz de membran prin subunitatea lor mare.

Figura 22 Reticulul endoplasmic si legaturile cu alte oragnite

Anvelopa nucleara

Nucleu

Ribozomi

RE granular

RE neted

24

Dispoziia i numrul lamelelor variaz n funcie de tipul celular i de impotana activitii sale. Cnd REg este foarte bine dezvoltat, dispoziia lamelelor este ordonat , paralel. In celulele mai puin active, lamelele sunt mai puine la numr i relativ dispersate n masa citoplasmei. La majoritatea celulelor, mici regiuni membranare ale REg sunt pe alocuri lipsite de ribozomi; ele stau la originea formrii de mici vezicule de tranziie, limitate de o membran neted. Acestea asigur transportul intracelular al constituenilor memrbranari sau ai proteinelor din coninutul saculelor spre alte destinaii (plasmalem, aparat Golgi, lizozomi). Asemenea regiuni netede ale REg i veziculele de tranziie constituie RE de tranziie. REg este prezent n toate celulele nucleate, fiind deosebit de abundent n celulele specializate n sinteza i secreia de proteine i glicoproteine. Structura tubular a RE neted (REn) (fig. 23). Acest tip de RE este format dintr-un labirint de tubuli sau canalicule fine, cu diametrul de 30-60 nm, ramificate i anastomozate, ce este infiltrat n toat citoplasma. Faa extern a membranelor sale este lipsit de ribozomi. REn are proprietatea de a stabili contacte strnse cu mitocondriile, peroxizomii i depozitele de glicogen (n celulele animale). (PLANA III C) Funciile RE: - intervine n formarea anvelopei nucleare (exist o legatur direct ntre spaiul perinuclear i cavitatea RE); - la nivelul REg se deruleaz principalele etape ale proteinosintezei; - REn asigur sinteza lipidelor; - RE are rol de colector, transportor i distribuitor de diferite substane (venite din mediul extra- i intracelular); - fiind n contact cu citoplasma vecin prin intermediul plasmodesmelor, RE intervine n transmiterea excitaiilor; - RE, prin dilatrile sale locale, particip la formarea vacuolelor; de asemenea, el poate sta la originea altor organite: mitocondrii, dictiozomi, proplastide . Figura 22 Reticulul endoplasmic granular si RE neted

Reticulul endoplasmic granular

Reticulul endoplasmic neted

25

Figura 23 Reticulul endoplasmic granular

2.5. Aparatul Golgi Cuprinde dou tipuri de elemente: dictiozomii i veziculele golgiene. Dictiozomii rezult prin suprapunerea i dispunerea n teancuri a saculelor sau a cisternelor aplatizate n numr de 4-6, uneori chiar pn la 40. Sunt uor curbai i umflai la capete, fr coninut, fiind limitai de o membran lipoproteic simpl, groas de 6-7,5 nm. Membranele diverselor sacule poart echipamente enzimatice. Sacula este unitatea de baz a dictiozomilor. Veziculele golgiene sunt limitate, de asemenea, de o membran simpl, lipoproteic, de 7,5 nm. Sunt vezicule de secreie sau granule de secreie ce rezult prin nmugurirea lateral a saculelor ce formeaz dictiozomi, de care apoi se detaeaz. Aparatul Golgi (fig. 24, 25) reprezint o structur dinamic format plecnd de la REg; acesta din urm, dup ce s-a separat de ribozomii ce-i tapisau membrana, emite vezicule de tranziie ce se vor asambla pentru a forma prima sacul a dictiozomului (sacula de la faa cis). Ulterior se formeaz noi sacule ce mping progresiv pe primele formate spre cealalt extremitate a teancului, acolo unde se afla faa trans. Ultimele sacule de la aceast fa devin vezicule golgiene (de secreie). Funcii: - intervine n formarea fragmoplastului i a lamelei mediane a celulei n cursul citocinezei; - n celulele tinere, veziculele golgiene se grupeaz n lomazomi, localizai ntre plasmalem i perete (ulterior, poliholozidele lor se integreaz n peretele celular); - veziculele golgiene stau la originea lizozomilor primari; - membrana veziculelor golgiene intervine n rennoirea plasmalemei.

In citodiereza acumuleaza unii compusi in vezicule in vederea excretiei. Compusii ce se acumuleaza in vezicule pot fi secretati de RE si numai transformati in

aparatul Golgi sau pot fi secretati de aparatul Golgi; ex: la plantele parazite (Cuscuta) dictiozomii concentreaza enzimele ce intervin in distrugerea peretelui celular si a protoplasmei celulelor gazda Intervin in elaborarea peretelui scheletic la celulele vegetale.

In procesul de gelificare a peretelui scheletic si in producerea de mucilagii la algele rosii si la Malvaceae, dictiozomii sint foarte abundenti si produc vezicule golgiene ce se indreapta spre

26

peretele scheletic, eliberand mucilagiile si gumele (poliholozide); aceste celule sfarsesc prin moarte ca urmare a izolarii lor prin mucilagiile abundente produse.

In celulele animale intervin in procesele de secretie celulara si in transportul substantelor secretate, in procesele de detoxifiere. Figura 24 Structura si functionarea aparatului Golgi

Figura 25 Aparatul Golgi observat la microscopul electronic cu transmisie (TEM)

Membrane nucleara Por

RE granular

Ribozom

RE neted

Vezicula secretoare

Plasmalema

Ap. Golgi

Proteine

Vezicula de

transport

27

2.6 Lizizomii (fig. 26, 27)

Au fost descoperii i studiai din punct de vedere biochimic mai nti n celulele animale; ulterior au fost descrii i n celulele vegetale, unde au rspndire foarte limitat. Sunt vezicule mici, de circa 150-300 nm n diametru, limitate de o membran simpl, lipoproteic, de 7,5 nm, ce conin enzime digestive (hidrolaze acide), capabile s degradeze toate substanele biologice. Alterarea membranei lizozomale conduce la eliberarea acestor hidrolaze n citoplasm producnd moartea celulei. Funcii: - sunt responsabili de digestia substanelor de origine extracelular (heteroliz); - ei pot digera mici poriuni din celul, izolate n prealabil de restul citoplasmei printr-o membran simpl (autoliz).

Figura 26 Lizozomii: origine si functii

Plasmalema

Particular

alimentara

Vacuola

digestiva

Lizozom

Vezicula de

transport

28

Figura 27 Lizozom (observat la microscopul electronic cu transmisie) 2.7. Ribozomii (granulele Palade)

Sunt particule ribonucleoproteice cu diametrul de 20-30 nm, implicate n sinteza proteinelor, prezente n numr mare n citoplasma tuturor celulelor procariote i eucariote vegetale i animale. Sunt lipsii de membran. Ribozomii din celulele eucariote sunt localizai n citoplasm, nucleu, plastide i mitocondrii. Ribozomii citoplasmici pot fi liberi sau asociai cu membranele RE (fig. 28), crora le confer un aspect rugos (REg). n celulele meristematice, n care RE este slab dezvoltat, dominani sun ribozomii liberi, n timp ce n celulele difereniate, marea majoritate a ribozomilor sunt asociai cu RE. Fenomenul poate fi considerat reversibil, deoarece se constat desprinderea ribozomilor odat cu mbtrnirea celulelor. Frecvent, ribozomii se ordoneaz n grupe de cte 4-5, care constituie adevratele uniti funcionale, cunoscute sub denumirea de polizomi (poliribozomi). Legtura dintre ribozomi n agregate este realizat de molecule de ARN m, purttorul informaiei genetice nscris n ADN (fig. 29). Polizomii liberi n citosol elaboreaz proteine destinate celulei, iar cei legai de membranele RE g sintetizeaz proteine ce vor fi excretate. Ribozomii sunt constituii din dou subuniti caracteristice, una mare i alta mic (fig. 30),

care prezint un coeficient de sedimentare exprimat n uniti Svedberg (S). La procariote exist ribozomi de tip 70 S, subunitatea mare fiind de 50S, iar cea mic de 30 S. La eucariote exist ribozomi de tip 80 S, subunitatea mare fiind de 60 S, iar cea mic de 40 S. n cloroplaste i mitocondrii se afl ribozomi de tip 70 S.

Figura 28 Ribozomi stasati de reticulul endoplasmic (imagine TEM)

29

Figura 29 Sinteza proteinelor

Figura 30 Alcatuirea ribozomului

30

2. 8. Microcorpii. Sferozomii. Corpii paramurali Microcorpii sunt organite veziculiforme limitate de o membran simpl, lipoproteic ce caracterizeaz numai celulele vegetale. Au coninut enzimatic i sunt de dou categorii: - peroxizomi, ce conin enzime oxidative ce descompun apa oxigenat; - glioxizomi, ce conin enzime ce intervin n transformarea lipidelor n glucide; sunt caracteristici pentru seminele oleaginoase n timpul germinrii acestora. Sferozomii sunt organite sferice, cu membran simpl, lipoproteic i n care se sintetizeaz ulei vegetal. Reprezint dilataii terminale sau periferice ale RE, fiind precursorii granulelor lipidice libere, lipsite de membran din citosol. Corpii paramurali sunt organite veziculiforme sau tubuliforme cu membran simpl, lipoproteic, prezente numai n celula vegetal. Dupa localizare pot fi: - lomazomi, localizai ntre plasmalem i peretele celular, avnd rol n sinteza i depunerea substanelor ce intr n structura peretelui celular i plasmalemazomi, localizai sub plasmalem, n ptura periferic a citosolului, cu rol n acumularea de polizaharide ce vor fi utilizate n formarea peretelui celular.

2.9. Mitocondriile (condriomul celular) Sunt organite prezente n celulele plantelor i animalelor oxibionte, cu excepia procariotelor i a hematiilor adulte. La nivelul lor sunt localizate principalele procese respiratorii. La microscopul fotonic apar ca mici granule, bastonae de 0,5 micrometri n diametru i de 0,5-1,5 micrometri lungime, uneori filamente flexuoase lungi de 20-30 micrometri, provenite prin bipartiia sau nmugurirea mitocondriilor preexistente; se pot forma i din evaginri ale RE sau prin fragmentarea anvelopei nucleare. Numrul lor variaz de la cteva sute la cteva mii / celul. Figura 31- Alcatuirea mitocondriei

matrix criste

Mb. interna

Spatiu

intermembranar Mb. externa

31

n citologia vegetal, pentru evidenierea mitocondriilor se utilizeaz reactivi speciali: verde Janus B, care le coloreaz n verde; hematoxilina feric, care le coloreaz n negru; fucsina, care le confer culoare rou-purpuriu (dup fixare cu aldehid formic, bicromat de potasiu sau tetraoxid de osmiu). La microscopul electronic, mitocondriile, indiferent de form se prezint sub forma unor complexe structurale delimitate de o anvelop, ce nchide un spaiu numit strom (matrice, matrix). Anvelopa (membrana dubl), groas de 25 nm, este format din dou membrane simple de cte 7,5 nm, separate de un spaiu intermembranar, clar, de 10 nm (fig. 31, 32). Membrana extern este neted, permeabil pentru aproape toate moleculele mici i conine proteine, fosfolipide i fosfoaminolipide. Membrana intern se invagineaz n strom, formnd criste mitocondriale sau tubuli dispui mai mult sau mai puin perpendicular pe suprafaa organitului; numrul cristelor mitocondriale crete o dat cu vrsta i specializarea celulelor. Aceast membran conine 80% proteine i 20% lipide; ea este impermeabil pentru toate moleculele i necesit obligatoriu participarea transportorilor activi. Figura 32 Mitocondrii dintr-o celula din fructul tanar de tomate

Membranele mitocondriei sunt asimetrice, adic proteinele de pe cele dou fee sunt diferite ca structur i funcie. Feele interne ale cristelor mitocondriale sunt tapisate de sfere de 9 nm n diametru (susinute de cte un pedicel), numite oxizomi sau particule elementare. Fiecare particul elementar este format din ansamblul proteinelor responsabile de sinteza ATP; acest complex enzimatic este cunoscut i sub numele de ATP-az. Stroma sau matrixul este un gel care conine 50% proteine (mitoribozomi, ADN mitocondrial liniar sau dublu helicoidal).

32

Analiza chimic global a mitocondriilor cuprinde: ap (66%), proteine (22%), lipide (11%), nucleotide (ADP i ATP), coenzime acceptoare de hidrogen, ioni minerali (potasiu, calciu, sodiu, mangan, fier), ADN, ARN. Funciile mitocondriilor sunt variate: - membrana extern are transportori de electroni; -

spaiul intermembranar are doar enzime care realizeaz reacia ATP +AMP 2 ADP; - membrana intern ndeplinete funcii legate de transportul de electroni ai lanului respirator, precum i la nivelul sferelor feei sale interne, n formarea de ADP; n plus, ea are numeroi transportori transmembranari ce controleaz foarte exact intrrile i ieirile compuilor stromei; - n strom se deruleaz lanurile reaciilor de dehidrogenare, productoare de energie (ciclul Krebs). La nivelul mitocondriilor sunt degradate substanele i rezult ATP; aceast sintez confer mitocondriei un rol de central energetic. Este motivul pentru care mitocondriile sunt localizate n apropierea structurilor celulare consumatoare de energie (de exemplu, n celulele anexe, responsabile de furnizarea energiei necesare circulaiei sevei elaborate n tuburile ciuruite ale plantei).

2. 10. Plastidele (plastidomul celular) Sunt organite proprii celulei vegetale. Se disting: cloroplaste, care elaboreaz clorofil i amidon; amiloplaste sau leucoplaste, care elaboreaz amidon; cromoplaste sau carotenoidoplaste, care conin pigmeti carotenoidici; proteoplaste, care acumuleaz proteine; oleoplaste, care conin lipide. Toate categoriile de plastide din celulele adulte provin din proplastide; acestea au form sferic, diametrul de 1 micrometru i sunt limitate de o anvelop (membran dubl) ce izoleaz de citosol un compartiment intern numit strom. Cloroplastele (fig. 33, 34) poart pigmentul verde numit clorofil, cu ajutorul cruia realizeaz fotosinteza, ceea ce confer plantelor rol de productori primari. Clorofila este concentrat n mici granule lenticulare numite grana, dispuse mai mult sau mai puin regulat i dnd cloroplastului o structur granular. Ansamblul regiunilor clare, nepigmentate, ce separ grana se numete strom (matrix). Figura 33 Alcatuirea cloroplastului

cloroplast

ADN

ribozomi

stroma

anvelopa

granum

Tilakoid granar

33

Figura 34 Cloroplast (imagine TEM)

Morfologie. La alge (fig. 35), cloroplastele se numesc cromatofori; forma acestora variaz i este utilizat n taxonomie pentru a diferenia speciile, genurile i grupele ntre ele: la Chlamydomonas i Chlorella, alge unicelulare, are aspect de cup sau de clopot; la Ulothrix, alg pluricelular, are aspect de inel ecuatorial, cu marginile dantelate; la Cladophora, alg pluricelular ramificat, este reticulat; la Spirogyra, alg pluricelular filamentoas, are aspect de panglic spiralat. n ceea ce privete numrul de cromatofori / celul, acesta poate fi: ntre 1-6 la Spirogyra, 2 n form de stea la Zygnema, mai multe zeci cu aspect lenticular la Bryopsis. Majoritatea cromatoforilor au una sau mai multe granule proteice numite pirenoizi n jurul

crora sunt granule de amidon. Pirenoizii sunt corpusculi sferici, avnd 1-10 micrometri n diametru. La algele verzi i la unele alge roii, pirenoizii sunt intraplastidiali, iar la algele brune, extraplastidiali, fixai n afara cromatoforului cu ajutorul unui pedicel. Corpul central al pirenoidului este de natur lipoproteic i se numete pirenozom. La unele alge verzi, pirenoizii mai conin ADN i clorofil . La plantele superioare, cloroplastele sunt lenticulare, mari, vizibile la microscopul fotonic.

Dimensiunile lor variaz cu specia, organul analizat, tipul de esut vegetal (la frunze, cloroplastele din celulele esutului palisadic sunt de 2,5 ori mai mari dect cele din esutul lacunos). Ultrastructur. Cloroplastul este limitat de o anvelop (membran dubl), ce nchide o strom incolor. Fiecare din cele dou membrane simple are grosimea de 7,5 nm, ntre ele aflndu-se un spaiu clar de 10 nm. Membrana extern este neted. Membrana intern emite invaginaii, din care unele se prelungesc n lamele stromatice, dispuse paralel cu axa mare a organitului. ntre lamelele

stromatice (stromatilacoizi) se formeaz, pe alocuri, un anumit numr de saci mici, aplatizai, numii saculi granari (granatilacoizi) dispui n teancuri (de la 2 pn la 60 ntr-un teanc); acetia

34

provin din dilatri ale lamelelor stromatice, care se etaleaz paralel cu aceste lamele i de care se detaseaz. Ansamblul format de saculele granare i poriunile de lamele stromatice care le mrginesc constituie aa-numitul granum. Figura 35 Cromatoforii la alge

Tilacoizii cuprind: - uniti ptratice de 15 nm, care apar pe cele dou fee ale membranei (tetramere de complexe cromoproteice ale fotosistemului II, cu rol n captarea fotonilor) i care conin aproximativ 300 de molecule de clorofile i aproximativ 50 de molecule de pigmeni carotenoizi, toate nglobate prin polul lor hidrofob n ptura lipidic a membranei tilacoidale (fotosintetizant); aceste uniti ptratice au fost asimilate cu uniti funcionale numite cuantozomi; - uniti mai mici (8 nm), tot transmembranare, cu rol esenial n funcionarea fotosistemului I; - uniti intermediare (9 nm) pedicelate, situate exclusiv pe faa stromatic a membranei tilacoidale, ndeosebi la extremitile tilacoidelor (ele sunt factori de cuplaj clorofilieni, care servesc la sinteza de ATP, ca i n mitocondrie). Stroma este incolor, avnd o structur asemntoare cu cea a hialoplasmei. Este de natur proteic, coninnd picturi lipidice i cteva granule de amidon; acestea se formeaz la sfritul zilei, dar sunt hidrolizate n cursul nopii n glucoz, care migreaz n plant. n strom s-au evideniat i plastoribozomi, ARN, ADN. Analiza chimic global a cloroplastului evideniaz: ap (50%), proteine (25%), lipide (15%), glucide, clorofil (3%), carotenoizi (2% - caroten, licopen, xantofil), ARN (2%), ADN (0,5%), elemente minerale ( Mg, Fe, Cu, Mn, Zn), nucleotide (ndeosebi ADP i ATP), enzime (dehidrogenaza, fosforilaza, amilaze, izomeraze, enzime ale ciclului Krebs), coenzime acceptoare de hidrogen. Cromoplastele (fig. 36) sunt plastide a cror strom lipoproteic incolor conine pigmeni carotenoizi solubili n lipide: xantofila (galben), carotenul (rouoranj) i licopenul (rou). Aceti pigmeni se prezint sub form de granule, picturi, tubuli sau cristale (ace, tablete).

Chlamydomonas SpirogyraChlamydomonas Spirogyra

35

Cromoplastele sunt responsabile de culoarea particular a unor flori, rdcini, fructe i a frunzelor de toamn. Indirect, ele asigur rspndirea unor fructe i semine, precum i polenizarea (atrgnd insectele sau psrile prin culorile pe care le dau). Prin hidroliz (care are loc n mod natural n ficatul rumegtoarelor), carotenul se transform n vitamina A.

Figura 36 Cromoplaste din mezocarpul fructului de tomate si de gogosar

Amiloplastele (fig. 36, 37)provin din plastide incolore care elaboreaz amidon; sunt abundente n parenchimurile amilifere, unde amidonul constituie un produs de rezerv. Stroma amiloplastelor are un aspect fin-granular i se reduce teptat pe msura biosintezei i depunerii de amidon. Se formeaz una sau mai multe granule de amidon, punctul de plecare n constituirea granulului numindu-se hil. Originea plastidelor. Provin din proplastide sau prin bipartiia plastidelor preexistente. Zigotul are plastide provenite de la gametul femel, existnd o ereditate plastidial: uniparental (matern, rar patern, ca la conifere) i excepional biparental (ca la mucat). Figura 36 Amiloplaste din celulele tuberculului de cartof

36

Figura 37 Amiloplast (imagine TEM)

Interconversiunile plastidiale (fig. 38). n zigot i n celulele meristematice ale cormofitelor

sunt numai proplastide; acestea devin amiloplaste n rdcini i tulpini subterane (metamorfozate); devin cloroplaste n primordiile foliare; devin cromoplaste n petalele unor flori. Figura 38 Interconversiunile plastidiale

Cloroplast matur

Cloroplast

senescent

Amiloplast

Proplastid Cromoplast

37

Plastidele se pot transforma dintr-un tip n altul, dupa cum urmeaz:

- n timpul maturrii fructelor sau n timpul nglbenirii frunzelor, cloroplastele se transform n cromoplaste. Dup unii autori, cromoplastele nu ar proveni din degenerarea cloroplastelor deoarece plastidele verzi senescente nu sunt altceva dect gerontoplaste. Cromoplaste adevrate sunt numai plastidele care conin carotenoide i nu conin clorofil; ele sunt plastide nefotosintetizante, dar capabile s biosintetizeze carotenoide. De asemenea, nglbenirea frunzelor nu s-ar datora apariiei carotenoidelor, ci dezorganizrii tilacoidelor i apariiei unui numr mare de plastoglobuli;

- nverzirea tuberculului de cartof expus la lumin este produs de transformarea amiloplastelor n cloroplaste;

- nverzirea rdcinii tuberizate de morcov expus la lumin este determinat de transformarea carotenoplastelor n cloroplaste;

- la ntuneric are loc un fenomen de etiolare a organelor verzi, datorit regresiei cloroplastelor i a amiloplastelor pn la stadiul de proplastide.

2. 11. Nucleul

Este organitul descoperit pentru prima dat de R. Brown n 1831 (1835) n celulele petalelor de orhidee. Ulterior a fost semnalat i n celula animal. n 1838, M. Schleiden generalizeaz prezena nucleului n toate celulele vegetale. Rolul nucleului n procesele de nmulire, difereniere, cancerizare, sinteza proteinelor citoplasmice i-a determinat pe citologi i biochimiti s-i acorde o atenie prioritar n cercetrile lor. Figura 39 Celula asimilatoare cu nucleu si cloroplaste

Morfologia nucleului interfazic. Nucleul eucariotelor este o achiziie a evoluiei; la procariote

(virusuri, bacterii, cianobacterii) ntlnim un nucleoid (substan nuclear, ndeosebi ARN i ADN, fr existena unei anvelope nucleare).

Nucleu

Cloroplaste

38

Numr: la eucariote, fiecare celul are n general un singur nucleu; filamentele dicariotice ale unor basidiomicete au cte doi nuclei; unele alge verzi (Caulerpa, Cladophora) au mai muli nuclei. Deosebim astfel: plasmodii, n cazul cariocinezelor neurmate de citocineze i sinciii, ce rezult n urma lizei pereilor despritori. Exist i celule anucleate: articulele tuburilor ciuruite, la care nucleul, devenit inutil n cursul difereierii celulare, a disprut. n cazul elementelor moarte la maturitate (vasele de xilem, elementele de sclerenchim, celulele de suber) nucleul a degenerat i a disprut o dat cu tot ce era viu n celul.

Figura 40 Structura nucleului Forma variaz n funcie de vrst, forma i funcia celulei. n celulele tinere este sferic, iar

n cele difereniate este eliptic. Forme particulare: semilunar (celulele stomatice ale frunzei de Tradescantia); fusiform (parenchimul medular din tulpina de la Tilia); filamentoas (celulele epidermice ale frunzei de Aloe).

Poziia n celul poate fi: central (n celulele meristematice); parietal (n celulele difereniate); parietal, dar numai lng peretele extern (celulele epidermice de la frunza de Aloe); subterminal (n perii absorbani radiculari).

Mrimea variaz de la 0,5-3 micrometri la unele ciuperci i alge, pn la 1000 de micrometri n cazul zigotului de Cycas revoluta; n medie, dimensiunile sunt cuprinse ntre 5 i 15 micrometri.

Ultrastructur. Nucleul prezint patru componente: - anvelopa (membrana dubl); - unul sau civa nucleoli sferici sau ovoizi; - nucleoplasma, substana fundamental optic omogen ; - cromatina, substan cu aspect variabil, dispersat n nucleoplasm. Dup aspectul cromatinei, nucleul interfazic poate fi: eureticulat, reticulat, semireticulat i areticulat. Structurile eureticulat i

Cromatina

RE granular

Por

Anvelopa nucleara

Nucleol

39

reticulat caracterizeaz speciile cu cromozomi lungi, iar cele semireticulat i areticulata pe cele cu cromozomi scuri.

Anvelopa nuclear cuprinde dou membrane simple (fiecare avnd grosimea de 7,5 nm), separate de un spaiu perinuclear clar, gros de 10-100 nm. Anvelopa prezint pori nucleari, ce ocup pn la 25% din suprafaa ei, reprezentnd deschideri prin care se pun n contact direct hialoplasma i nucleoplasma.

Porii au n acelai timp o structur granular i fibrilar, prezentnd: - un inel cu 8 particule sau granule sferice (cu diametrul de 20 nm) dispuse pe fiecare fa a porului; - o granul central (gradientul porului) cu diametrul de 25 nm, situat n centrul porului, fiind de natur ribonucleoproteic; - o diafragm, substana amorf de jur mprejurul porului, nclinat spre centrul deschiderii; - un material fibrilar de cromatin, cu diametrul de 5 nm, care reunete granulele (externe, interne i centrale) ntre ele.

Prin intermediul membranei externe, spaiul perinuclear este n contact direct cu cavitile RE (unii autori consider c membrana nuclear este o poriune specializat a RE).

Membrana intern este dublat (n celula animal) pe faa intern de o ptur groas (60 nm) de proteine, numit lamin fibroas .

Nucleolul. Dup specie, nucleul interfazic poate conine unul sau mai muli nucleoli; nucleolul dispare n cursul mitozei. La microscopul electronic se observ c nucleolul nu are membran proprie i cuprinde fibrile i granule de ARN ce alctuiesc nucleolonema. Zona fibrilar, central, reprezint partea activ a nucleolului, aici avnd loc transcripiile primare; cuprinde numeroase filamente de ADN i mii de fibrile de ARN aflate n curs de sintez. Zona granular, periferic, reprezint locul de stocare a preribozomilor.

n timpul formrii unui nou nucleu (la sfritul mitozei), nucleolii apar ntotdeauna n locuri precise, n contact cu o constricie secundar a cromozomilor de tip special, numii cromozomi organizatori de nucleoli.

Rolul nucleolului este de a sintetiza ribozomii. Cele dou subuniti ale ribozomului se formeaz n nucleol, migreaz separat prin porii anvelopei nucleare n citosol, unde apoi se recombin; sinteza de ARN r se face exclusiv la nivelul nucleolonemei.

Cromatina este un complex biochimic format din 96% nucleoproteine cu ADN, la care se adaug holoproteine i fosfolipide. Nucleoproteina cu ADN se prezint sub forma unui colier de nucleozomi, formai fiecare din 4 histone (H2A, H2B, H3, H4) n cte dou exemplare, nirate pe o molecul de ADN. Cromatina este considerat a fi un stadiu de organizare mai ridicat al nucleoproteinei cu ADN. ntregul edificiu (colier) este stabilizat de histona H1 i ionii de calciu. n timpul diviziunii celulare, cromatina sufer condensri, spiralizri suplimentare, care conduc la forma complet pe care o prezint cromozomul.

Cromatina apare sub form dispersat (eucromatina sau cromatina activ) sau sub form condensat (heterocromatina sau cromatina inactiv din punct de vedere genetic); aceasta din urma se aglomereaz sub form de mase, bulgri sau cromocentri lng anvelopa nuclear i lng nucleol.

Nucleoplasma este substana fundamental, fluid i omoge, care umple restul cavitii nucleare. Ea conine mai ales proteine (inclusiv ntreg echipamentul enzimatic necesar sintezei de ADN i ARN, nucleotide libere i ATP), ap i fosfolipide.

Cromozomii au fost observai de W. Hoffmeister (1840) n celulele de la Zebrina pendula, iar denumirea a fost dat de W. Waldeyer (1888), datorit proprietilor lor de a se colora intens cu coloranii bazici (hematoxilin, safranin, albastru de toluidin, reactiv Schiff). Investigaiile electronomicroscopice au artat urmtoarele aspecte: - cromozomii tuturor organismelor eucariote au aceeasi compoziie fizico-chimic; - cromozomii i conserv proprietile structurale i funcionale de-a lungul generaiilor celulare; - cromozomii sunt structuri genetice dinamice, caracterizate prin autoreplicare, transcrierea informaiei genetice; - cromozomii i pstreaz individualitatea i sunt carcteristici ca morfologie i numr pentru fiecare specie, fiind un criteriu de idenificare taxonomic.

n timpul mitozei, cromatina devine mai colorabil i se organizeaza n cromozomi: granule, bastonae, filamente arcuate, cu o zon de trangulare necolorabil, numita centromer (constricie primar). Inserta centromerului poate fi: - terminal (cromozom acrocentric sau cefalobrahial, adesea cu satelit); - submedian (cromozom submetacentric sau heterobrahial); - median (cromozom metacentric sau izobrahial). Uneori cromozomul are i o constricie secundar, ce poart satelit.

40

Figura 41 Organizarea cromatinei

nucleosom

Fibra de cromatina

30 nm

Fibra de cromatina

300 nm

Fibra de cromatina

700 nm

Fibra de cromatina 1400 nm cromatida a unui

cromosom metafazic

ADN

41

Numrul cromozomilor este par i constant la toate celulele somatice, 2n (diploide); la

celulele reproducatoare (spori, gamei) nucleul este n (haploid); rareori apar nuclei poliploizi (4n, 8n) ca urmare a neformrii fusului de diviziune i nedispariiei anvelopei nucleare.

Din punct de vedere ultrastructural, cromozomul este un nucleofilment foarte lung de ADN; la nceputul profazei cromozomul are dou filamente mai mult sau mai puin spiralate, numite cromatide, pe care se disting granulaii de cromatin, foarte colorabile, numite cromomere. Fiecare cromatid are: - o ax proteic (30 de proteine acide, nehistonice); - nucleozomi (concentrri de cromatin) legate de ADN, deci, un nucleofilament este ca un colier de perle: pe o axa proteic se afla nucleozomi legai de ADN internucleozomic.

42

UNITATEA DE INVARE 3 - Diviziunea celulara 3. 1. Mitoza (diviziunea ecvaional) Are loc la formarea celulelor somatice (diploide); plecnd de la o celul diploid (2n) se

ajunge la dou celule-fiice, tot diploide. (fig. 42, 43) 1. Cariocineza (mitoza n sens restrns) cuprinde: interfaza, profaza, metafaza, anafaza,

telofaza, toate alctuind ciclul celular, care dureaz 20-24 ore, uneori chiar cteva zile. Interfaza este etapa n care se dubleaz numrul constituenilor nucleari, mai ales ADN;

cuprinde trei perioade : G1 (perioada presintetic, cuprinde 25-50% din interfaz), cnd fiecare filament cromatic are o molecul de ADN combinat cu histone; are loc sinteza de ARNm; cromozomii sunt monocromatidici; S (perioada sintetic, cuprinde 35-40% din interfaz), cnd continu sinteza de ARNm; se dubleaz cantitatea de ADN; cromozomii sunt bicromatidici; G2 (perioada postsintetic, cuprinde 10-40% din interfaz), cand continu sinteza de ARNm; are loc sinteza proteinelor cu rol contractil, necesare formrii viitorului fus de diviziune.

Profaza: - se individualizeaz, prin spiralizare i prin scurtare, cromozomii clivai n cele dou cromatide unite nc prin centromeri; - ncepe formarea fusului de diviziune (500-600 fibre proteice cu diametrul de 25 nm) pe seama citoplasmei perinucleare (nti sub forma unor calote polare, ce se alungesc n form de conuri; n metafaz ele ating polii celulei i cu bazele se unesc la mijloc); - dispare nucleolul; - membrana nuclear se fragmenteaz i dispare; - citoplasma i nucleoplasma se amestec, rezultnd mixoplasma, n care sunt dispersai cromozomii.

Metafaza: - se ncheie formarea fusului acromatic de diviziune; - cromozomii bicromatidici clivai se dispun n planul ecuatorial al celulei, unde se inser prin centromer de filamentele fusului de diviziune (singurul nedivizat); - braele cromozomilor sunt orientate spre polii celulei; - se formeaz astfel placa celular.

Anafaza: - are loc disocierea (separarea) cromatidelor, ncepnd de la centromer (care s-a divizat), astfel nct acum fiecare cromatid este autonom, individualizat, cu valoare de cromozom; - cromozomii fii (cromatidele) migreaz sincron spre polii fusului de diviziune, cu centromerul spre poli i braele spre vechea plac ecuatorial; - cromozomii ating polii fusului, formnd dou grupe simetrice compacte, cu braele tasate unele lng altele; - rol motor n migrarea cromozomilor l are centromerul, dar ei se mic datorit scurtrii filamentelor fusoriale cromozomice.

Telofaza: - se formeaz cei doi nuclei fii, tot cu numr dublu de cromozomi, dar acetia din urm sunt monocromatidici; - cromozomii se despiralizeaz, rezultnd o nou reea cromatic; - ia natere nucleolul, lng o zon special heterocromatic, numit nucleolar, a unor cromozomi cu satelit, organizatori de nucleol; - se formez membrana nuclear, din fragmente ale membranei iniiale, care au fost antrenate spre cei doi poli ai fusului de diviziune i pe seama RE.

2. Citocineza ncepe la sfritul anafazei sau la nceputul telofazei. La cormofite, mici vezicule golgiene, bogate n glucide, protide i lipide, se dispun la

ecuatorul fusului de diviziune, cresc, conflueaz (exceptnd locurile ce corespund punctuaiilor primare, pe unde trec plasmodesmele) i astfel se organizeaz fragmoplastul sau placa celular. Fragmoplastul se ntinde treptat centrifugal spre peretele celulei iniiale, intrat n diviziune, pentru a forma lamela median dintre cele dou celule fiice. n paralel, fusul de diviziune se dezorganizeaz, dup ce i filamentele sale participaser la formarea lamelei mediane. Fiecare din cele dou citoplasme sintetizeaz cte un perete primar i astfel sunt separate cele dou celule- fiice, n care s-au repartizat mai mult sau mai puin egal diversele organite.

43

n

ncl

cr

fg

c. m

Fig. 42 Fazele mitozei: a d profaza, e g metafaza, h anafaza, i,j telofaza, k, l citocineza: c. f celule fiice, c. m celula mam, cr cromozomi, fg fragmoplast, n nucleu, ncl - nucleol

44

Figura 43 Fazele mitozei 3. 2. Meioza (diviziunea reducional) Fecundaia i meioza apar ca dou mecanisme compensatoare: fecundaia dubleaz

numrul de cromozomi, iar meioza i reduce la jumtate. La covritoarea majoritate a plantelor, meioza precede formarea sporilor. (fig. 44)

Meioza cuprinde dou diviziuni succesive: mitoza reducional sau heterotipic (un nucleu 2n d doi nuclei n) i mitoza ecvaional sau homeotipic (cei doi nuclei n dau patru nuclei n). Aadar, meioza are loc la formarea celulelor de reproducere.

Mitoza reducional Profaza I dureaz cteva zile i cuprinde mai multe subfaze: - leptoten: cromozomii sunt filamente lungi, foarte fine, sinuoase, cu cromomere vizibile;

dei s-au format cele dou cromatide, nu este vizibil clivajul; - zigoten: cromozomii sunt tot filamente lungi, dar mperecheate; cromozomii omologi,

paterni i materni, se apropie i se unesc doi cte doi, fenomen numit sinaps, ce

INTERFAZA

PROFAZA

METAFAZA

ANAFAZA

TELOFAZA

45

conduce la formarea de bivaleni; cromatidele sunt separate (n fiecare din cei doi cromozomi ai bivalentului) de o structur numit sinapton;

Figura 44 - Fazele meiozei:Profaza I: 1 leptoten, 2 zigoten, 3 pachiten, 4 diacineza, 5 Metafaza I, 6 Anafaza I, 7, 8 Telofaza I, 9 diad, 10 Metafaza II, 11 Telofaza II, 12, 13 tetrada

46

- pachiten: cromozomii perechi sunt mai scuri i devin mai groi prin spiralizare unul n jurul altuia; clivajul apare vizibil la extremiti;

- diploten: clivajul este vizibil, cromozomii din fiecare bivalent tind s se separe, dar cromatidele rmn ataate n mai multe poriuni numite chiasme; aadar, fiecare bivalent are patru cromatide, dar numai doi centromeri;

- diacineza: se accentueaz spiralizarea, cromozomii devenind foarte scuri i groi; cromozomii omologi din fiecare bivalent se separ i la nivelul chiasmelor are loc fenomenul de crossing-over (schimb de gene); acum dispar nucleolul i membrana nuclear, ncepe s se formeze fusul de diviziune.

Metafaza I: - se termin de format fusul de diviziune; - perechile de cromozomi (bivalenii clivai) se dispun n planul ecuatorial al celulei, cu centromerii de o parte i de alta a planului ecuatorial. Anafaza I: - disocierea anafazic separ cromozomi ntregi (clivai n cele dou cromatide) i nu cromatide ca n mitoza ecvaional; - rezult dou loturi de cromozomi bicromatidici care migreaz spre poli. Telofaza I: - cromozomii bicromatidici s-au regrupat la cei doi poli ai fusului de diviziune; -

se formeaz nucleolul i anvelopa nuclear. Uneori se formeaz peretele dintre cele dou celule-fiice, deci are loc citocineza. Nu se mai

observ interfaza, deci nu are loc replicarea ADN. Mitoza ecvaional Profaza II: - este scurt; - cromozomii nu mai sufer clivajul longitudinal. Metafaza II: cromozomii se inser cu centromerul la ecuatorul fusului de diviziune (cele

dou fuse se dispun perpendicular pe fusul primei mitoze). Anafaza II: disocierea anafazic separ cromatide, care migreaz spre cei doi poli. Telofaza II: - are loc regruparea cromozomilor monocromatidici la polii fusului de diviziune;

- se formeaz perei ntre celule, rezultnd o tetrad de spori, mai rar gamei; - mpreun, cele dou telofaze reconstiuie patru nuclei haploizi; - se formeaz nucleolul i anvelopa nulear; - cantitatea total de ADN / nucleu este egal cu jumtate din cea a unui nucleu somatic la sfritul mitozei.

La monocotiledonate, citocineza este succesiv, n sensul c dup fiecare telofaz se edific cte un perete ntre nucleii nou formti. La dicotiledonate, citocineza este simultan, n sensul c pereii se constituie abia dup telofaza II .

UNITATEA DE INVARE 3 Incluziunile celulare

Vacuolele provin fie din dilatrile locale ale membranelor RE, fie din diviziunea celor preexistente. Sunt incluziuni inerte apoase, prezente n citoplasm; ele nu efectueaz transformri metabolice i sunt limitate de tonoplast. Pot fi colorate natural atunci cnd conin antociani sau flavone, ori artificial cu colorani selectivi de tipul roului neutru i albastrului de crezil. n celulele tinere (meristematice) din apexurile radicular i caulinar vacuolele sunt numeroase, dar foarte mici; pe msur ce procesul de difereniere avanseaz, vacuolele conflueaz, ajungnd ca n celula adult s existe o singur vacuol foarte mare, care ocup circa 90% din volumul celular (fig. 45). Coninutul vacuolar este o soluie de compoziie complex, a crei natur chimic i concentraie sunt foarte variabile n funcie de specie, tip celular i stare fiziologic. Compuii ncorporai n vacuole pot fi grupai n dou categorii: 1. compui intermediari ai metabolismului celular: acizii carboxilici (tartric, izocitric, malic,

ascorbic, malonic, oxalic ultimii doi sunt foarte toxici i inhibitori de enzime, transferul lor n vacuol fiind un procedeu de eliminare i detoxificare) rspunztori de pH-ul coninutului vacuolar; glucide (zaharoz la trestia de zahar i sfecl; inulin i fructozane ndeosebi la asteracee, campanulacee, liliacee); acizi aminici i proteine (care sunt transferai n vacuole dupa sintez de ctre polizomii citoplasmici).

47

2. compui finali ai metabolismului celular: cumarina (compus fenolic volatil foarte rspndit la plante, foarte toxic, perturbnd diviziunea celular i creterea; la leguminoasele furajere, prin transformri bacteriene d dicumarolul, anticoagulant, responsabil de accidentele hemoragice ale vitelor); compui cianogenetici (acidul cianhidric, un inhibitor al respiraiei); pigmenii flavonoizi (exclusiv vegetali, semnale atractive eseniale pentru polenizatori); taninurile (inhibitori ai enzimelor; confer astringen fructelor; ofer protecie organelor vegetale contra agenilor patogeni); alcaloizii (cu proprieti farmacodinamice foarte variate). Figura 45 Evolutia aparatului vacuolar

Celul tnr

Celul difereniatCelul tnr

Celul difereniat

vacuolavacuola

Figura 46 Celula diferentiata cu vacuola mare, centrala

48

Aparatul vacuolar al celulelor din embrion i acela din celulele albumenului are un comportament particular. n ovulele care se transform n semine, celulele au vacuole mari, hidratate; n cursul maturrii seminelor, vacuolele se deshidrateaz i se fragmenteaz, n acelai timp acumuldu-se o mare cantitate de proteine. La sfritul evoluiei lor, vacuolele vor conine proteina precipitat (ne referim la granulele de aleuroa , care pot fi simple sau compuse, n ultimul caz proteina fiind organizat sub forma unui cristaloid nsoit de o parte neproteic numit globoid).

Funciile vacuolei: - constituie pentru celul principala sa rezerv de ap, compus indispensabil multiplelor reacii de biosintez: - acumuleaz substane de rezerv sau deeuri toxice; - contribuie la creterea celular; - exercit presiune asupra peretelui celular extensibil i elastic, care se ntinde (starea de turgescen celular, care implic i fenomene osmotice).

Incluziuni inerte solide Granulele de amidon. n timpul transformrii unui leucoplast n amiloplast, amidonul apare sub

forma unei mici granule refringente n centrul plastidei, unde stroma s-a r