OCR Document

2. CONSTITUENII CELULARI

Constituenii celulari sunt mprii n dou mari categorii:

1. Constituenii vii sau protoplasmatici

2. Constituenii mori sau paraplasmatici

Protoplasma la rndul su este format din citoplasm i nucleu. Citoplasma cuprinde toate organitele celulare vii cu excepia nucleului. Componenii citoplasmatici sunt reprezentai de hialoplasm, plasmalem, reticul endoplasmatic, ribozomi, aparatul Golgi, lizozomi, microcorpi, mitocondrii i plastide.

Paraplasma cuprinde constitueni mori ai celulei vegetale: incluziunile ergastice, vacuomul i peretele scheletic.

n acest capitol vor fi prezentai, n aceast ordine, toi aceti constitueni celulari cu morfologia, structura i ultrastructura, compoziia chimic, rolul biologic i originea fiecruia.

nainte ns vom expune cteva din proprietile fizico-chimice ale protoplasmei care influeneaz i proprietile constituenilor celulari. Unii citologi consider c aceste proprieti atribuite protoplasmei n ansamblu sunt de fapt cele ale hialoplasmei sau plasmei fundamentale n care se gsesc cuprinse toate celelalte organite dar ntre acestea i hialoplasm se realizeaz interaciuni reciproce, de aceea este mai corect s atribuim aceste proprieti protoplasmei n ansamblul su.

2.1. Constituenii protoplasmatici

2.1.1. Proprietile fizico-chimice ale protoplasmeiStarea de agregare a protoplasmei este o stare coloidal, dar care se deosebete de cea a coloizilor nevii. Coloizii protoplasmei sunt coloizi hidrofili, particulele dispersate avnd o afinitate pentru ap superioar celei care o au ntre ele, astfel c apa le separ pe unele de altele, le nconjoar i n acelai timp le disperseaz. Substanele dispersate n mediul apos al coloizilor fiind fie substane macromoleculare ca proteine fibrilare sau globulare, substane cu molecul medie ca glucide, fosfolipide, aminoacizi, nucleotide, fie substane cu molecule foarte mici sau ioni minerali. ntre macromolecule se stabilesc fore de coeziune de diferite tipuri care determin formarea unei reele n ochiurile creia se gsete apa liber, substane solubile i ioni. Aceste fore ns n coloidul viu, spre deosebire de cel mort, se desfac i se refac continuu astfel c protoplasma se poate prezenta sub o form mai vscoas sau mai fluid. Pentru a le deosebi de coloizii ineri cei protoplasmatici se numesc plasmasol i plasmogel, iar cei ineri (ex. gelatina) sunt numii hidrosol i hidrogel (Fig. 21). De exemplu prin nclzirea unui gel de gelatin, acesta se transform n hidrosol, fluidificarea rezult din agitaia termic ce determin ruperea legturilor ntre macromoleculele proteice fibrilare, fenomenul fiind reversibil prin rcire, cnd agitaia termic este diminuat i forele de coeziune se restabilesc. Spre deosebire de coloizii ineri, ca gelatina, care n condiii constante nu evolueaz, plasma vie nu se poate conserva ntr-o asemenea stare staionar, n acest caz relaiile intermoleculare se modific fr ncetare.

Protoplasma vie prezint fenomenul de tixotropie adic transformarea reversibil a strii de gel n sol, n mod spontan i, chiar mai mult, n protoplasma aceleiai celule coexist starea de plasmasol i plasmagel. Aa de exemplu la mixomicete partea intern a citoplasmei este fluid i moale (plasmasol), iar cea extern mai rigid (plasmagel).

Deosebirea dintre coloizii ineri i cei vii, protoplasmatici, se refer i la complexitatea structurii moleculare a acestora din urm (Fig. 21).

Fig. 21: Schema structurii unui hidrogel (1) i hidrosol (2) comparativ cu a unui plasmagel (3) i plasmasol (4).

Filtrarea. Coloizii hidrofili, chiar sub form de hidrogel, nu traverseaz hrtia de filtru cu toate c macromoleculele au dimensiuni mult inferioare porilor hrtiei. Aceasta se datorete forelor de coeziune intermoleculare ce mpiedic moleculele s se deplaseaz unele fa de altele. Prin crearea unei presiuni, aceste fore pot fi nvinse astfel c sub presiune, hidrogelul poate fi filtrat i dup filtrare se poate reface un sistem analog celui iniial, iar legturile intermoleculare s se restabileasc.

Dar cu plasmagelul (gelul plasmatic viu) situaia nu este identic. Aa de exemplu un plasmodiu de mixomicete se poate filtra sub presiune dar din filtratul su se va obine numai un coloid inert. Protoplasma vie este inseparabil de legturi precise, chiar dac sunt schimbtoare, ce unesc macromoleculele i determin un raport i o structur spaial bine definite. Ruperea acestor legturi, n acest experiment sub presiune, i alterarea raporturilor antreneaz moartea, fiind ireversibile.

Proprieti difractante. La coloizii hidrofili, nveliul monomolecular de ap atenueaz considerabil diferena indicilor de refracie, puterea difractant fiind mult redus. Acelai lucru se constat i n cazul protoplasmei, considernd numai substana fundamental, fr organitele celulare. Despre protoplasma vie se spune c este "optic vid" pentru c nu apare la microscop ca structur difractant. Prin alterarea sau moartea protoplasmei ea devine difractant datorit dislocrii moleculelor de ap care determin creterea considerabil a indicilor de refracie. Indicele de refracie al protoplasmei este de 1,30 - 1,50.

Coagularea rezult n urma separrii mediului de dispersie de particulele dispersate. n cazul coloizilor hidrofili dispersia macromoleculelor se datorete afinitii lor pentru ap care le nvelete ntr-un manon continuu. Prin ndeprtarea apei macromoleculele se apropie ntre ele datorit forelor de coeziune i se produce coagularea. Aceasta se poate produce i sub aciunea unor substane (alcool, acizi tari) care au o afinitate pentru ap mai mare dect a macromoleculelor plasmatice. Un alt factor de coagulare este cldura (70C), prin creterea agitaiei termice se rup legturile dintre ap i particulele dispersate, ceea ce red sistemuiui proprietile difractante, iar protoplasma devine opac. (Fig. 22).

Fig. 22: Schema procesului de coagulare a unui hidrogel. ndeprtarea apei a permis agregarea macromoleculelor sub efectul forelor de coeziune i opacifierea sistemului

Flocularea reversibil. Prin aciune menajat se poate provoca aa numita floculare reversibil a protoplasmei. Aceasta presupune c apa poate regsi rapid locul su de ap legat n urma ncetrii cauzei care a provocat ndeprtarea sa.

Proprietile electrice. Stabilitatea sistemului coloidal se datorete, n mare parte, i faptului c toate particulele unui sistem poart sarcini electrice de acelai semn. pH-ul la care sarcinile electrice se anuleaz se numete punct izoelectric, la care nu mai exist fore electrice de respingere i stabilitatea sistemului este minim, astfel c moleculele tind s se depun dac sunt mai dense sau s pluteasc dac sunt mai puin dense dect mediul.

Valoarea punctului izoelectric difer n funcie de specie, de aceea se folosete n diagnoza bacteriilor.

pH-ul condiioneaz ntreaga via celular, deoarece variaiile lui influeneaz toate proprietile protoplasmei, reaciile enzimatice implicate n metabolismul celular. pH-ul protoplasmei este neutru (7) sau puin peste 7, adic uor bazic.

Micrile citoplasmatice reprezint o proprietate fiziologic a celulelor vii vegetale. Cu toate c aceste celule sunt protejate la exterior de peretele celular scheletic, rigid, care nu le permite deplasarea, n citoplasma celulelor sunt prezente micrile sub forma unor cureni citoplasmatici, continui i intermiteni care antreneaz i alte organite celulare. n cazul celulelor cu o singur vacuol mare, central sunt prezeni cureni de rotaie ai citoplasmei n jurul acestor vacuole. Acesteia i s-a dat i numele de cicloz. n celulele cu mai multe vacuole desprite de cordoane de citoplasm se pot observa micri de circulaie n diferite direcii i sensuri (Fig. 23).

Fig. 23: Micarea citoplasmatic de rotaie n celula frunzei de Vallisneria (1) i micarea citoplasmatic de circulaie n celulele perilor staminali de Tradescantia (2) i n perii epidermici de Bryonia.

Intensitatea acestor cureni citoplasmatici sunt apreciai ca indicatori ai metabolismului i vitalitii celulare. Se presupune c energia necesar acestor cureni este furnizat de ATP provenit din glicoliza anaerob a glucidelor. De asemenea s-a pus n eviden participarea microtubulilor i a microfibrilelor din structura hialoplasmei la ntreinerea acestor cureni citoplasmatici i la dirijarea

orientrii lor.

n cazul celulelor vegetale far perete scheletic ca de exemplu n plasmodiul mixomicetelor s-au observat micri amiboidale.

4.1.2. Hialoplasma

Se mai numete citoplasma hialin i reprezint substana fundamental a citoplasmei, fr constitueni celulari sau elemente figurate ale citoplasmei, este mediul n care se gsesc ntotdeauna incluse aceste elemente.

Hialoplasma este alctuit din 3 componente: trama proteic, microtubuli i microfibrile.

1. Trama proteic se presupune c este format din macromolecule proteice care formeaz o reea ce delimiteaz "ochiuri" n care se gsesc dispersate sau dizolvate alte molecule ca proteine globulare, fosfolipide, aminoacizi, ioni minerali, ap. Dup FREY-WISSLING se pot realiza legturi ntre catenele polipeptidice nvecinate, pe de o parte i ntre aceste catene i substanele ce se gsesc n ochiurile reelei. Sunt posibile patru tipuri de legturi (Fig. 24) reprezentate de:

1. Fore de coeziune homopolare ca de exemplu cele dintre polii hidrofobi ai lipidelor, hidrocarburilor.

II. Fore de coeziune heteropolare, ca de exemplu legturile de hidrogen ale apei.

III. Legturi de valen heteropolare ca legtura salin, esteric, peptidic.

IV. Legturi de valen homopolare ca de exemplu legtura oxidic, glicozidic, eteric sau punile disulfidice sau metilenice.

Fig. 24: Forele de coeziune (I, II) i legturile de valen (III, IV) ntre catenele

polipeptidice i substane aflate n ochiurile reelei hialoplasmei.

Se mai pot realiza legturi i prin intermediul fosfoaminolipidelor (lecitina) sau sterolilor, ce pot funciona ca emulgatori, fcnd legtura ntre polii hidrofili i hidrofobi ai unor substane diferite.

n hialopasma vie, legturile ce se realizeaz sunt instabile i necontenit remaniate, fiind sensibile la variaia de pH, unele se rup altele se refac.

Transformrile sol-gel-sol se pot explica prin relaxarea legturilor, lanurile polipeptidice se pot alungi sau plisa. Dar ruperea legturilor ntre catenele fundamentale duce la moartea hialoplasmei, la fel i aciunea diferiilor fixatori. Cu toate progresele nregistrate, trama protetic nu a putut fi vizualizat nici n microscopia electronic.

2. Microtubulii. n hialoplasm, microtubulii au fost pui n eviden prin examinare n microscopie electronic i apar ca elemente asemntoare cu cele care constituie fusul de diviziune. Microtubulii se prezint sub forma unor fibre rectilinii cu diametru de 250 A i civa m lungime. Aceast form de cilindru este constituit din 13 subuniti numite i protofilamente, fiecare din acestea fiind formate prin asamblarea a 2 tipuri de subuniti globulare numite i -tubulin (Fig. 25).

Fig. 25: Schema structurii microtubulilor, formarea protofilamentelor i mecanismul asamblrii i dezasamblrii lor. Sferele negre- -tubulina, sferele albe- -tubulina.

n interfaz, aceti microtubuli sunt dispui n vecintatea peretelui scheletic, n ectoplasm, paralele cu direcia de cretere a peretelui celular, contribuind la conducerea i direcionarea veziculelor golgiene ce aprovizioneaz cu precursori peretele pecto-celulozic.

n timpul diviziunii, aceast localizare a lor dispare, numrul lor crete i vor constitui fibrele fusului de diviziune. Ei sunt implicai n diferite tipuri de micare, pe lng fusul mitotic i micarea cromozomilor, n timpul diviziunii mai intervin i n micarea cililor i flagelilor i transportul veziculelor prin citoplasm.

La celulele animale i vegetale inferioare exist formaiuni denumite centrioli sau centrozomi de la care se organizeaz i iradiaz microtubulii n timpul diviziunii. La vegetalele superioare nu exist centrioli astfel c microtubulii iradiaz de la o zon citoplasmatic situat n apropierea nucleului.

3. Microfibrilele din hialoplasm joac un rol important n micrile citoplasmatice. Ele au fost observate n hialoplasma unor alge, la limita dintre ectoplasm i endoplasm care prezint fenomenul de micare citoplasmatic sau cicloz. Aceste microfibrile sunt dispuse paralel cu direcia curentului citoplasmatic. Au diametru de cea 50 A i civa m lungime.

n hialoplasma de mixomicete s-au descris plasmafilamente cu diametrul de 70 A care stau la originea micrilor amiboidale.

Funciile hialoplasmei. Pe lng rolul scheletic al tramei proteice i cel jucat de microtubuli i microfibrile, hialoplasma reprezint sediul unui numr mare de reacii biochimice ale celulei, n primul rnd cele ale metabolismului intermediar ntre care descompunerea unor molecule mici, sinteza ATP, sinteza de precursori pentru macromolecule structurale i funcionale. Tot n hialoplasm este i sediul glicolizei anaerobe n care glucoza este degradat la acid piruvic ce apoi va intra n cadrul ciclului Krebs, de la nivelul mitocondriilor, unde va fi oxidat la C02 i H2O.

n hialoplasm au loc i sintezele aminoacizilor, nucleotidelor iar ribozomii liberi din hialoplasm asigur sinteza proteinelor scheletice sau a celor funcionale (enzime).

2.1.3. Plasmalema.

Este o pelicul subire la partea periferic a hialoplasmei, mai consistent dect hialoplasma.

Se mai numete membran ectoplasmatic.

n celulele vegetale care prezint perete scheletic, plasmalema se aplic strns la partea intern a acestuia.

Plasmalema se poate pune n eviden prin introducerea celulelor vegetale vii ntr-o soluie hipertonic care va produce plasmoliza, adic concentrarea volumului vacuolei, prin pierderea apei, care va antrena dup sine i citoplasma apoi i aceast pelicul ectoplasmatic ce va mai rmne prins, n unele puncte, de peretele scheletic, prin fire subiri. Aceste fire reprezint plasmaleme ntinse datorit elasticitii lor.

Ultrastructur. De la nceput s-a constatat c plasmalema, spre deosebire de hialoplasm este lipofil i hidrofob. Pentru structura sa molecular s-au imaginat mai multe modele, ntre primele fiind i cel propus de DANIELLI (1935), care bazndu-se pe caracterul lor de liposolubilitate i rezisten electric ridicat presupune existena lipidelor n timp ce tensiunea superficial redus indic prezena proteinelor. El consider c exist un dublu strat lipidic orientat cu polii hidrofili spre exterior care este acoperit, pe ambele fee de ctre lanuri polipeptidice (proteice) paralele. (Fig. 26).

Fig. 26: Schema structurii moleculare a plasmalemei propus de DANIELLI i

ROBERTSON (1934).

n perioada 1959-1964 ROBERTSON a examinat plasmalema n microscopia electronic, pe seciuni ultrafine, dup o fixare osmic i a observat c aceasta prezint dou zone ntunecate, externe, cu o grosime de 20 A fiecare i o zon clar central de 35 A, grosimea total fiind de 75 A (Fig. 27)

Aceast structur s-a pus n eviden i la alte membrane, ca cele ale nucleului, mitocondriilor sau cloroplastelor, de aceea ROBERTSON numete aceast structur ca model al membranei unitare ("unit membrane") sau structur tripartit i confirm astfel ipoteza lui DANIELLI. Cele dou zone ntunecate sunt datorate straturilor proteice i polilor hidrofili ai fosfolipidelor (Fig. 27) n timp ce zona clar corespunde lanurilor hidrofobe ale acizilor grai din structura fosfolipidelor (lecitinei).

Fig. 27: Schema structurii moleculare a plasmalemei dup interpretarea lui ROBERTSON (1963).

n prezent, cel mai acceptat model de structur a plasmalemei, ca i al altor membrane biologice, este acela al mozaicului fluid propus de SINGER-NICOLSON n 1972, comparat, foarte plastic, cu "un ocean de folisfolipide n care plutesc iceberguri de proteine" (Fig. 28).

Fig. 28: Modelul SINGER-NICOLSON a biomembranelor n care proteinele globulare sunt integrate n dublul strat fosfolipidic.

Acest model presupune existena unui dublu strat fosfolipidic n care sunt incluse proteine integrale sau transmembranare care strbat ambele straturi fosfolipidice i proteine periferice sau extrinseci, care sunt localizate numai ntr-unul din straturile fosfolipidice, cel mai frecvent n cel exterior (Fig. 29).

Fig. 29: Reprezentarea schematic a seciunii transversale printr-o memhran biologic. P- proteine periferice, M- proteine semiintegrale, T- proteine cu canal hidrofil integrale.

n acest model dublul strat fosfolipidic prezint fluiditate (cristal lichid), iar proteinele pot efectua micri. ntre proteine, unele ndeplinesc funcia de transport ("carrier"), iar altele prezint canale (proteine canal) fiind implicate n transportul substanelor prin membrane (Fig. 30).

Suprafaa peliculei citoplasmatice nu este ntotdeauna plan, prin observaii n microscopia electronic s-a constatat formarea de invaginaii pentru captarea unor particule lichide (pinocitoza) sau solide (endocitoza).

n cadrul procesului de exocitoz veziculele de excreie sau secreie vin n contact cu faa intern a plasmalemei cu care fuzioneaz i apoi sunt depuse n exterior.

Plasmalema conine, din materia uscat, 65% proteine i 35% lipide dintre care 1/2 sunt fosfolipide, cca 1/4 colesterol i 1/4 acizi grai liberi i glicerol, iar dintre enzime se remarc ATPazele.

Din punctul de vedere al rolului biologic, plasmalema este considerat o barier spre exterior pentru citoplasm, implicat n permeabilitate i absorbie, transport selectiv, n exocitoz i endocitoz.

n timpul creterii celulare, plasmalema crete foarte rapid, odat cu celula i are o capacitate de regenerare foarte accentuat. n timpul citodierezei (diviziunea citoplasmei), ce urmeaz cariocinezei (diviziunii nucleului) plasmalema se fonneaz din vezicule emise de dictiozomi (vezi cule golgiene) care se grupeaz la ecuatorul celulei pentru a fonna placa celular. Apoi acestea se aliniaz, se aplatizeaz i fuzioneaz. Din membranele acestor vezicule rezult plasmalemele celor dou celule fiice (adic zonele ce delimiteaz cele dou celule nou formate), n timp ce din coninutul acestor vezicule se formeaz primul strat al peretelui scheletic situat ntre cele dou celule fiice, adic lamela mijlocie compus din substane pectice. (A se vedea Cap. Diviziunea celular i Peretele scheletic).

2.1.4. Reticului eudoplasmatic

La celulele vegetalelor superioare reticulul endoplasmatic (RE) a fost descoperit n 1957 de

ctre BUVAT i PORTER apoi gsit i la drojdii, alge i mixomicete. De notat c acesta lipsete la

procariote care nu au nici membran nuclear.

Se prezint ca un sistem de canalicule i buzunare uneori aplatizate i anastomozate ntr-o reea. Aceste canalicule pot traversa i peretele scheletic de la o celul la alta, la nivelul plasmodesmelor, fiind numit i sistem circulator al celulei (Fig. 31).

Fig. 31: Reprezentarea spaial a reticului endoplasmatic dup BUVAT. V- vacuol provenit din dilatarea REN; Mp- perete scheletic; p- plasmodesm.

Reticulul endoplasmatic este mai rarefiat n celulele meristematice i mai dens n cele difereniate.

Pe seciune longitudinal reticulul apare delimitat de dou membrane groase de 50 A cu structur tripartit iar spaiul cuprins ntre ele se numete enchilem i este mai puin dens dect hialoplasma. Coninutul reticulului este n continuare cu spaiul perinuclear, membrana extern a nucleului se racordeaz n anumite zone cu reticulul.

Unele canalicule prezint asociai la membrana lor extern numeroi ribozomi. Acest tip de reticul se numete reticul endoplasmatic rugos (RER) (Fig. 32) i corespunde ergastoplasmei descoperit nc de la 1900 de ctre GARNIER n celulele secretoare animale. Alte zone ale reticulului au pereii externi netezi, lipsii de ribozomi. Acesta este numit reticul endoplasmatic neted sau REN (RES n limba englez, smooth = neted) ntre cele dou tipuri de reticul existnd o continuitate.

n comparaie cu celulele secretoare animale, la celulele vegetale reticulul este mai puin

abundent, iar ribozomii sunt dispui mai puin ordonat. S-a observat c n zona extern a citoplasmei i n cea perinuclear reticulul are o structur granular, iar n zona median are o structur neted i vacuolar. Dup BUVAT, n celulele mature, unele regiuni ale REN se dilat n saculi care stau la originea formrii vacuolelor (Fig. 33).

Ca origine, se consider c RE deriv fie din membrana extern nuclear, fie din invaginarea plasmalemei. n celulele meristematice de ceap i gru s-au putut observa, la nivelul fragmoplastului, traecte ale RE din care se vor forma plasmodesmele ntre cele dou celule, acestea preced formarea peretelui celular.

Fig. 32: Cisterne paralele de reticul endoplasmatic rugos din citoplasma de pr radicular de ridiche (scala 0,5 m) x 47.000.

Fig. 33: Cistern dilatat de reticul endoplasmatic cu coninut de proteine (Pn) din citoplasma

perilor radiculari de ridiche.

Reticulul endoplasmatic ndeplinete funcii metabolice intervenind n metabolismul glucidelor, lipidelor i proteinelor ca i n procesele de detoxifiere. El mai ndeplinete i funcii de segregare i de transport intra i intercelular. Astfel proteinele sintetizate n ribozomii din RER trec foarte rapid n interiorul RE iar de aici n dictiozomi (Fig. 33). RE intervine i n sinteza acizilor grai, fosfolipidelor i steroidelor. n celulele canalelor secretoare rezinifere de pin, reticulul endoplasmatic este foarte abundent ceea ce sugereaz rolul acestuia n sinteza i secreia terpenelor.

2.1.5. Ribozomii

Mai poart i numele de granulele lui PALADE de care au i fost descoperii n 1953, n citoplasm. Au un aspect sferic i un diametru cuprins ntre 140-300 A. De notat c prin ultracentrifugare difereniat, ncepnd cu 1941, CLAUDE a izolat din parenchimul hepatic microzomii, de dimensiuni mult mai mari, 500-2000 A, care s-au dovedit foarte bogai n ARN, dar

lipsii de enzime i capabili s ncorporeze rapid, chiar i in vitro, aminoacizii n proteine. Aceti microzomi nu sunt ns vizibili n seciuni ultrafine prin celule i ca atare nu pot fi considerai constitueni celulari. Analiznd ns n ME seciunile prin microzomii izolai prin centrifugare s-a constatat c ei sunt formai din dou pri distincte: granule identice cu ribozomii i vezicule ale RE pe care sunt fixai aceti ribozomi (Fig. 34).

Fig. 34: Aspect electronomicroscopic al unei seciuni din fraciunea de omogenat celular de "microsomi". Se observ vezicule de reticul endoplasmatic i ribozomi ataai de acestea.

Datorit dimensiunii lor, ribozomii sunt vizibili numai n ME. Ei sunt prezeni n toate celulele, att eucariote ct i procariote, fie liberi n

hialoplasm fie fixai pe membrana RER, sau pe membrana nuclear extern (Fig. 35). Se gsesc i n mitocondrii i n plastide. Numrul lor este de 500.000 ntr-o celul eucariot i cca 10.000 n celula bacteriei E. coli, numrul lor scade cu mbtrnirea celulelor.

Prin tehnica coloraiei negative n ME s-a artat c fiecare ribozom este constituit din dou subunitti inegale, numite subunitatea mare i mic.

Din celulele de bacterii unde sunt liberi n hialoplasm, ribozomii se pot izola prin ultracentrifugare. n cazul n care se gsesc pe membrana RER (ergastoplasm), prin ultracentrifugare se izoleaz microzomii. Apoi membrana acestora se poate distruge cu ajutorul unui detergent fin (dezoxicolatul de sodiu) i dup o nou centrifugare se pot izola ribozomii.

Dac ribozomii izolai sunt plasai ntr-un mediu cu concentraia sczut de ioni de Mg2+, ei se disociaz n cele dou subuniti care reprezint 2/3 i respectiv 1/3 din masa total. Ribozomii de procariote (bacterii i algele albastre-verzi), din mitocondrii i din cloroplaste, care au un diametru de 140-270 A prezint un coeficient de sedimentare de 70S, n timp ce ribozomii eucariotelor, care au diametru de 200-300 A, prezint un coeficient de sedimentare de 80S; cele dou subuniti ale ribozomilor au i ele constante de sedimentare diferite, n funcie de origine. Cei de tipul 70S se descompun n subuniti de 50S i 30S, iar cel de tipul 80S n subuniti de 60 i 40S (Fig. 36, 37).

n hialoplasm, ribozomii se gsesc grupai n mici lanuri care constituie poliribozomii i se consider c sub aceast form efectueaz sinteze proteice iar unirea lor se realizeaz de ctre ARNm.

Ribozomii conin 50% ap iar din substana uscat 65% ARN i 35% proteine. ARN-ul din ribozomi se numete ARN ribozomal, se noteaz ARNr i este situat la exteriorul ribozomului n timp ce proteinele sunt situate la interior. Enzima ribonucleaz distruge ARN ribozomal astfel c ribozomii nu se mai pot evidenia n ME.

Fig. 35: Poliribozomi liberi din citoplasma unei celule din meristemul radicuiar de fasole (sus) i o seciune transversal prin RER din celulele rizodermei de ridiche n care se observ numeroi poliribozomi la suprafa.

ARN ribozomal se sintetizeaz n nucleoli, n contact cu cromatina (ADN) nuclear de unde este transportat prin membrana nuclear n citoplasm. Despre proteinele ribozomale nu se poate afirma cu precizie unde sunt sintetizate. Dac la amibe anucleate se transplanteaz un nucleu marcat la nivelul ARN, radioactivitatea apare rapid la nivelul ARNr din citoplasm, dar dac nucleul este marcat la nivelul proteinelor, radioactivitatea nu se va regsi la nivelul proteinelor ribozomale.

n nucleu sunt sintetizate subunitile ribozomale mari i mici care sunt exportate apoi n citoplasm. n subunitatea mare intr 3 fraciuni de ARN notate ARN28S, ARN5,8S i 58 iar n subunitatea mic fraciunea 18S. Asamblarea celor dou subuniti are loc n citoplasm dup transportul acestora prin membrana nuclear.

Fig. 36: Schema unui ribozom de procariote (bacterii) 70S care se poate separa n dou

subuniti, una mare (50S) i una mai mic (30S). Ei se pot reuni n polisomi prin

intermediul ARNm.

Fig. 37: Modelul spaial al ribozomilor de E. Coli (70S) avnd subunitatea mare (n negru) i cea mic (n alb), n dou poziii diferite.

Rolul biologic al ribozomilor este unul deosebit de important, la nivelul lor avnd loc sinteza proteinelor. Ribozomii reprezint complexul macromolecular (ARNr i proteine ribozomale) care ghideaz acest proces. Pentru biosinteza proteinelor sunt necesare mai multe componente ntre care ribozomii care constituie suportul ntregului complex, ARNm care conine informaia dup care are loc sinteza proteinelor, ARNt care transport aminoacizii ce trebuie inserai n molecula proteic, precum i o serie de factori i enzime.

2.1.6. Aparatul Golgi

Cuprinde totalitatea dictiozomilor dintr-o celul. Este un organit care a fost descoperit nc din 1898 de ctre GOLGI n celulele nervoase pe care el l-a denumit aparat reticular intern situat n apropierea nucleului. De abia dup 1950, cu ajutorul ME s-a confirmat prezena sa n toate celulele animale i vegetale. La vegetalele superioare, aparatul Golgi a fost pus n eviden de ctre BUVAT i PORTER n 1957, apoi regsit i la alge i Briofite, n timp ce la ciuperci, unde este mai puin dezvoltat, a fost descoperit n 1962.

La Procariote aparatul Golgi lipsete, la fel ca i reticulul endoplasmatic.

Un dictiozom este format din saculi curbai i aplatizai, avnd un diametru de 1-3 m.

Membranele acestor saculi n form de disc curbat sunt analoage celor ale RE, avnd grosimea de 50 A, cu structur tripartit. Cavitatea fiecrui sacul are o grosime de 60-150 A, la fel i spaiul ce separ doi saculi ai unui dictiozom. ntr-un dictiozom sunt prezeni 3-8 sacuIi, n mod excepional 20. Spre extremiti saculii emit vezicule caracteristice, numite vezicule golgiene care rmn o perioad ataate, apoi se desprind n citoplasm. Majoritatea veziculelor au suprafaa neted n timp ce altele sunt"mbrcate" ("coated vesicle") (Fig. 38, 39).

Fig. 38: Schema structurii spaiale a unui dictiozom (dup BUVAT) cu saculi aplatizai i vezicule golgiene periferice (st) i o schem a ultrastructurii unui dictiozom (dup GENEVES) cu marginile fenestrate (dr). Saculii (8) se prelungesc ntr-o reea de tuburi anastomozate (t) i care emit vezicule cu perei netezi (VI) i ornamentate (Vo)

n compoziia chimic a dictiozomilor s-au pus n eviden fosfolipide i proteine componente ale structurilor membranare, mucopoliozide, i poliozide i cteva fosfataze i peroxidaze. Echipamentul enzimatic redus sugereaz c substanele ce se acumuleaz n aparatul

Golgi sunt elaborate n alt parte.

Rolul biologic. n celulele vegetale, Aparatul Golgi joac un rol important n citodierez (diviziunea citoplasmei dup cea a nucleului numit cariocinez). Astfel, la sfritul telofazei, veziculele golgiene se dispun n planul ecuatorial, se aplatizeaz i fuzioneaz ntre ele. Aceast formaiune i stadiu al diviziunii poart numele de plac celular. Ca urmare, membranele golgiene

vor da natere la noile plasmaleme care vor separa teritoriile citoplasmatice ale celor dou celule fiice rezultate din diviziune. Totodat din coninutul veziculelor golgiene (substane pectice) se va forma primul strat al peretelui scheletic dintre cele dou celule, aceste substane pectice constituind lamela mijlocie.

Aparatul Golgi mai are rolul de a concentra unii compui n vezicule, n vederea excreiei lor. Aceti compui pot proveni din RE sau pot fi elaborai ori numai transformai n dictiozomi. La plantele parazite (Cuscuta) dictiozomii concentreaz enzimele ce intervin n distrugerea peretelui

celular i protoplasmei celulelor gazd.

Fig. 39: Imagine electronomicroscopic a dictiozomilor din celulele meristemului radicular de porumb (stg) i fasole (dr) care emit vezicule secretoare.

Dictiozomii intervin i n elaborarea peretelui scheletic la celulele vegetale. Astfel n experiena cu glucoz tritiat (cu 3H) s-a artat c la nivelul dictiozomilor glucoza este transformat n acizi uronici, galactoz i arabinoz, apoi polimerizate la poliozide ce sunt transportate de ctre veziculele golgiene spre plasmalem de unde, prin exocitoz, sunt ncorporate n peretele scheletic ca hemiceluloze i pectine (Fig. 40).

De notat c veziculele golgiene nu transport celuloza i deci nu o sintetizeaz, aceast etap

se produce la exteriorul plasmalemei dar din precursori transportai de veziculele golgiene. (A se vedea cap. Peretele scheletic).

n procesul de gelificare a peretelui schelctic i n producerea de mucilagii la algele roii i la Malvacee, dictiozomii sunt foarte abundeni i produc vezicule golgiene ce se ndreapt spre peretele scheletic, elibernd mucilagiile i gumele (poliholozide). Aceste celule sfresc prin moartea lor ca urmare a izolrii lor prin mucilagiile abundente produse.

n celulele animale dictiozomii intervin n procesele de secreie celular i n transportul substanelor secretate. Intervin i n procesele de detoxifiere.

Aparatul Golgi are relaii strnse cu RES i cu lizozomii. Din traecte ale RES se pot forma noi saculi golgieni, iar lizozomii se presupune c provin din vezicule golgiene speciale.

Noii saculi golgieni care provin din RES se aliniaz ntotdeauna la partea extern n timp ce saculii de la partea intern iau aspect de vezicule i se destram. Numrul de saculi din dictiozomi crete odat cu diferenierea. S-a observat i formarea "de nou" a dictiozomilor care au la nceput aspectul de canalicul circular i apoi se deschid i emit vezicule (Fig. 41).

Unele imagini (Fig. 42) obinute n ME sugereaz c dictiozomii se pot dubla, adic se pot divide.

Fig. 40: Dictozomii (D) din celulele rdcinii de porumb care produc vezicule de secreie (sv) a cror coninut se vars la exteriorul plasmalemei (sgeile) spre peretele scheletic (ps).

Fig. 41: Stadii succesive n formarea unui dictiozom dintr-o celul

meristematic de usturoi (Allium sativum).

Fig. 42: Formarea de dictiozomi noi din vezicule periferice care se aplatizeaz i se grupeaz suprapus (stg) i prin constricie median (diviziune) prin care se formeaz doi dictiozomi noi (dr).

2.1.7. Lizozomii

Mai poart numele de corpusculi litici fiind bogai n enzime hidrolizante (hidrolaze). Au forma unor granule cu diametrul de 0,25-0,50 m, cu un coninut dens, fiind protejai de o membran simpl. n interiorul acestor organite, enzimele se gsesc n stare latent, membrana lor fiind aceea care i stabilizeaz, de unde i interesul pentru studiul acestei membrane. Formarea lizozomilor se aseamn cu cea a veziculelor de secreie, hidrolazele iau natere la nivelul RER, trec apoi n RES i n veziculele emise de dictiozomi.

Ca rol biologic, lizozomii sunt considerai ageni ai fenomenului de digestie intracelular. Ei

intervin n fagocitoz ca funcie heterofagic i n autoliz care este o funcie autofagic. n cazul primei funcii, particulele solide ptrund n citoplasm prin endocitoz i dau natere n interiorul celulei la un fagozom n care particula este nconjurat de plasmalem. Acest fagozom fuzioneaz apoi cu un lizozom primar i va da natere unui lizozom secundar. Astfel, substanele exogene sunt supuse aciunii enzimelor hidrolizante din lizozomi i degradate la molecule mai mici, asimilabile, rezidurile fiind eliminate n exterior prin exocitoz. Din aceast cauz funcia este comparat cu aceea a unui tub digestiv discontinuu.

A doua funcie a lizozomilor, cea autofagic se refer la digestia de ctre lizozomi a unor teritorii (zone) din propria citoplasm. Acest fenomen are loc n caz de stres metabolic (prin nfometare) sau n celule pe cale de difereniere cnd apar spaii intercelulare. Aceste zone supuse degradrii de ctre lizozomi sunt nconjurate la nceput de ctre traecte ale RES numite vezicule de autofagie sau citolizomi. Acestea fuzioneaz cu lizozomii primari dup care ncepe procesul de digestie intracelular.

Dup moartea celulelor, membranele lizozomilor se distrug i enzimele hidrolizante se elibereaz declannd autolize "post-mortem", de aceea lizozomii au mai fost numii i "saci de sinucidere" .

Dereglarea funcionrii lizozomilor sau distrugerea membranei acestora la celulele animale declaneaz maladii celulare grave numite boli lizozomale.

2.1.8. Microcorpii vegetali

Microcorpii vegetali fac parte din citolizomii vegetali dar se deosebesc de lizozomi prin natura enzimelor pe care le conin. Au o mrime apropiat de a lizozomilor, dar conin enzime specifice. ntre aceti microcorpi se numr peroxizomii, glioxizomii.

Peroxizomii (Fig. 43) descoperii i numii astfel de ctre DE DUVE, conin oxidaze productoare de peroxid de hidrogen i catalaz. Se ntlnesc n acele celule care sunt capabile s transforme compuii neglucidici (ex. uleiurile grase) n compui glucidici, aa cum este cazul multor celule ce au ca substane de rezerv uleiurile grase (semine de floarea soarelui, soia, ricin). Ali peroxizomi au fost identificai n frunze i particip la fotorespiraie, absorb O2 i elimin CO2 n prezena luminii i independent de respiraie. Peroxizomii presupun existena a dou etape reacionale:

Fig. 43: Peroxizom dintr-o celul parenchimatic a frunzei de tutun cuprins ntre dou cloroplaste i o mitocondrie (dr).

Glioxizomii (Fig. 44) au fost identificai n albumenul de ricin i acetia dispun de enzime ce efectueaz un ciclu glioxilic complet avnd ca enzime specifice glicolat-oxidaza, izo-citratliaza i malat-sintetaza. Ei transform mai eficient acetatul activat n acid succinic, pe o cale mai rapid

dect n ciclul Krebs din mitocondrii.

Fig. 44: Glioxizom (Gl) alturi de incluziuni lipidice (L) n celule cotiledonare n plantule de tomate

Sferozomii

Reprezint organite celulare ce conin uleiuri grase i sunt delimitate de o membran simpl.

Se consider c deriv din terminaii ale REN care acumuleaz uleiul gras.

Corpii paramurali

Sunt organite specifice celulelor vegetale care sunt reprezentate de lomazomi i plasmalemazomi. Lomazomii sunt localizai la periferia celulei, ntre plasmalem i peretele scheletic. Au rol n sinteza i depunerea compuilor finali ce intr n alctuirea peretelui scheletic.

Plasmalemazomii provin din nmugurirea plasmalemei i proemineaz din hialoplasm i au rol n acumularea de poliholozide necesare edificrii peretelui scheletic. Ambele organite au form veziculoas i membran simpl.

2.1.9. Condriomul celular

Este format din totalitatea condriozomilor, elemente caracteristice celulei eucariote i absente la procariote.

Condriomul a fost descoperit de BENDA la 1900 dar progrese nsemnate n studiul su au fost nregistrate numai n urma observaiilor efectuate n microscopia cu contrast de faz, ME i dup ultracentrifugarea i izolarea lui.

De notat faptul c aceste organite celulare prezint acelai aspect att n celula animal ct i

cea vegetal.

Morfologie. n microscopia optic se deosebesc trei aspecte principale: unele au aspect globular oval i se numesc mitocondrii, altele au aspect alungit, n form de virgul i se numesc coridrioconte iar altele n form de granule nirate numite condriomite (Fig. 45).

Fig. 45: Forme de condriom: ch- condriomite, choncondrioconte, mit- mitocondrii (stg) i modificarea in vivo a condriocontelor sub aciunea curenilor citoplasmatici.

Dimensiunile lor sunt cuprinse ntre 0,3-1,5 m cele globuloase i 2-30 m cele alungite. Ele au refringen foarte sczut astfel c n microscopia optic pot fi observate numai n contrast de faz sau prin folosirea unui colorant vital verdele de Janus, care se fixeaz pe flavoproteine i datorit enzimelor oxidative, colorantul nu este redus la leucoderivai, rmnnd deci colorat numai la nivelul condriomului. n general, condriomul este sensibil la fixatori i la aciune a apei, aceasta din urm, n mediu hipotonic, produce cavulaie prin care condriozomii se veziculeaz i se leag n filamente lungi. Ei sunt sensibili i fa de curenii citoplasmatici, sub aciunea crora se curbeaz sau se deformeaz i se ramific. Ei pot s fuzioneze i s se divid.

Ultrastructura lor a fost descifrat numai dup 1952, prin folosirea ME. n seciuni ultrafine a fost observat o ultrastructur foarte constant, descris la nceput de PALADE (1952) i SJOSTRAND (1953). Cele mai frecvente structuri sunt cele ale condriomilor globuloi, astfel c structura lor se refer n general la mitocondrii. Aceste mitocondrii prezint o membran dubl, una extern i una intern care delimiteaz ntre ele un spaiu intermembranar, de cca 100 A, iar n interior se afl matricea mitocondrial (Fig. 46).

Membrana extern are o grosime de 75 A i suprafaa lipsit de ribozomi i fr relaii cu RE. Ea prezint o structur tipic, tripartit. Membrana intern se repliaz spre interior, trirnind n matrice prelungiri sub form de creste aplatizate (tipul "crista") uneori ramificate sau sinuoase, iar alteori prelungirile au forma de tubuli (tipul "tubulus"). n matrice au fost puse n eviden granule dense de 300-400 A, fibrile de ADN, ribozomi (Fig. 47). Prin tehnica "coloraiei negative" au fost observate pe creste, unitile structurale pe care FERNANDEZ- MORAN (1964) le-a denumit ,.,particule elementare" ale mitocondriilor sau oxizomi, la nivelul lor avnd loc transferul de electroni din lanul oxidativ din mitocondrii. Acetia sunt alctuii dintr-un cap sferic (80 A), un corp cilindric (50 A) i o parte bazal (110 A) (Fig. 47).

Fig. 46 : Schema ultrastructurii unei mitocondrii. m.e.- membran extern; m.i.- membran intern; crereste; m- matrice; g.d.-granule dense.

Fig. 47: Schema structurii oxizomilor ataai de membrana intern a mitocondriei. me- membran extern; H- hialoplasma; si- spaiu intermembranar; mi- membran intern; m- matrice mitocondrial.

Fig. 48: Evoluia ultrastructurii mitocondriilor n cursul procesului de difereniere celular la crizanteme. A- celule meristematice cu creste reduse i matrice puin dens. B- celule la nceputul diferenierii cu numr mare de creste i matrice dens. C- celule n vrst cu creste puine, tubuli i matrice cu densitate foarte redus.

Celulele meristematice prezint mitocondrii srace n creste i bogate n matrice n timp ce n celulele difereniate crete procesul de lamelizare n defavoarea matricei, iar n celulele n vrst, crestele se rarefiaz i apar tuburi (Fig. 49).

Fig. 49: Mitocondrie din esutul liberian al rcinii de fasole vzut n microscopia electronic. E- membran dubl; MR ribozomi mitocondriali; Nd- regiunea nucleoidului cu coninut de ADN.

Compoziia chimic. La nceput s-au pus n eviden n mitocondrii lipide i proteine corespunztoare structurilor membranare foarte dezvoltate. Dup izolarea mitocondriilor prin centrifugare s-a aprofundat i studiul lor chimic. A urmat apoi tehnica de fracionare a mitocondriilor care a condus la izolarea membranelor externe, interne, a crestelor i a matricei. n urma cercetrilor chimice efectuate s-a confirmat coninuul ridicat de proteine (60-70%) i lipide (25-30%) din substana uscat, membrana extern fiind de 2-3 ori mai bogat n fosfolipide. Dintre acestea n membrana extern sunt prezente fosfatidilinositolul i colesterolul, iar n membrana intern, cardiolipina (difosfatidilglicerol). Mitocondriile conin o proporie ridicat de ioni de K+ i Mg2+, iar dintre nucleotide se remarc n primul rnd cele ale adeninei (ATP, NAD). Mitocondriile sunt bogate i n enzime oxidoreductoare i se cunoate cu precizie i localizarea lor pe membrana extern, intern, spaiul intermembranar i n matrice. Astfel, enzime "marker" sunt considerate a fi monoaminoxidaza (MAO) pentru membrana extern, enzime ale metabolismului ATP n spaiul intermembranar, citocom-C-oxidaza pentru membrana intern i enzimele ciclului Krebs n matrice. n matricea mitocondrial este prezent i ADN, acesta fiind asemntor cu cel bacterian i diferit de cel nuclear prin GM, raportul de baze i lipsa histonelor, avnd o form circular i poate transcrie cca 25 tipuri diferite de ARNm. Duplicarea ADN-ului mitocondrial se face independent de cel nuclear. Toate acestea pledeaz n favoarea originii simbiotice a mitocondriilor, rezultat al ptrunderii n celula eucariot a unui procariot aerob.

Mitocondriile se pot nmuli prin diviziune sau se pot forma "de novo" pornind de la ultracondriom (Fig. 50).

Fig. 50: Imagine electronomicroscopic ce surprinde un proces de diviziune a mitocondriilor.

Formarea crestelor pe membrana mitocondrial intern conduce la creterea suprafaei acesteia de cca 5 ori n comparaie cu membrana extern i implicit a capacitii de reacie biochimic a acesteia.

ADN-ul mitocondrial este capabil s exercite funciile de transcripie i duplicaie. n mitocondrii au fost identificate toate cele 3 tipuri de ARN necesare pentru o sintez autonom de proteine, asemnate ns cu cea din bacterii.

ADN-ul mitocondrial nu poate asigura ns numai cca 30% din proteinele mitocondriale, cea mai mare parte a acestora fiind codificate de ADN-ul nuclear.

Intensitatea procesului respirator din mitocondrii este adaptat la cerinele celulare, printr-un mecanism de autoreglare foarte simplu, n funcie de cantitatea de ATP i ADP prezente n celul. ntr-un esut cu cheltuieli energetice importante se formeaz suficient ADP, (prin hidroliza ATP-ADP + P + energie) ceea ce va stimula activitatea respiratorie a mitocondriilor. Dimpotriv ntr-un esut bogat n ATP va fi o concentraie sczut de ADP care va inhiba respiraia.

Rolul biologic al condriomului

n celulele eucariote energia necesar activitilor vitale celulare se obine prin degradarea

aerob i complet a glucidelor, lipidelor, pn la stadiul de caz i H2O, degradare care este cuplat cu sinteza ATP. Prima etap a acestor degradri are loc n citoplasm prin glicoliz anaerob, etapa

final are loc n mitocondrii, n care energia eliberat prin oxidarea substanelor, glucidice i lipidice n primul rnd, este transformat n energie chimic sub forma legturilor fosfodiesterice ale ATP. Astfel energia necesar unor procese metabolice ce se fac cu consum de energie, provine din hidroliza unei legturi macroergice din ATP. Fa de glicoliza anaerob din citoplasm, prin care glucoza este degradat numai pn la acid piruvic i prin care se formeaz doar dou molecule de ATP, prin oxidarea piruvatului de ctre oxigenul molecular pn la CO2 i H2O randamentul este mult superior producnd 34 molecule de ATP. Menionm c n regnul vegetal se produce ATP i la nivelul altor organite i anume la nivelul cloroplastelor, ns aici sursa de energie nu este glucoza ci

lumina solar utilizat eficient n procesul de fotosintez.

S-a constat c n mitocondrii i n cloroplaste se utilizeaz acelai mecanism, chimiosmoza,

pentru a produce ATP din ADP i fosfat anorganic (Pi). Aceast surs de energie provine din gradientul de concentraie al protonilor i din potenialul electric membranar. Dac n fotosintez, n cloroplaste, acest gradient este asigurat de energia absorbit de pigmenii clorofilieni din lumin, n

mitocondrii este utilizat energia rezultat din oxidarea glucidelor i lipidelor pentru pomparea ionilor de H+ (protonilor) prin membrana mitocondrial intern care genereaz gradientul de protoni. Aceast for, stocat in gradientul de protom, va fi folosit pentru sinteza ATP din ADP i Pi.

n celulele eucariote, catabolismul glucozei ncepe n hialoplasm n care aceasta este transformat n dou molecule de acid piruvic cu formarea a dou molecule de ATP i reducerea a dou molecule de NAD+ la NADH + H+. n continuare, n mitocondrii, piruvatul este oxidat la CO2.

La nceput, n membrana mitocondrial extern, piruvatul este transformat n scetil-CoA (acetil coenzima A) i CO2. Aceast substan, acetatul activat de CoA, se formeaz i n timpul oxidrii, n mitocondrii, a acizilor grai rezultai din lipide sau a aminoacizilor din proteine.

Rolul diferitelor componente n procesul respirator este prezentat mai jos.

Membrana mitocondrial extern este neted i expune mitocondria n contact cu hialoplasma. Ea conine numeroase proteine canal (numite i porine) fiind foarte permeabil pentru ioni i molecule mici (cu GM