FIZIOLOGIA

ORGANITELOR CELULARE

mitocondriile si fosforilarea oxidativa

nucleul, ribozomii si sinteza proteica

reticulul endoplasmic, lizozomii, aparatul Golgi;

traficul celular de lipide si proteine

Stocarea energiei metabolice

Desfasurarea reactiilor anabolice si a altor procese celulare

consumatoare de energie necesita disponibilitatea acesteia intr-o

forma direct utilizabila, usor controlabila si in cantitate suficienta.

Aceste criterii sunt indeplinite de energia chimica din asa-

numitele legaturi fosfat macroergice (esterice fosfat-fosfat sau

fosfat-substrat), din diversi compusi cum sunt creatin-fosfatul si

nucleotidele, dar cel mai important compus din aceasta clasa este

de departe adenozin-trifosfatul (ATP).

Reactiile chimice ce se desfasoara cu consum de energie

metabolica (sub forma principala de ATP) sunt catalizate direct de

enzime cu activitate ATP-azica sau cuplate indirect cu hidroliza

ATP, care furnizeaza astfel energia necesara.

Sinteza ATP se realizeaza prin anumite reactii din

catabolismul nutrimentelor, cuplate cu fosforilarea ADP,

care poate necesita sau nu prezenta oxigenului. De aici

distinctia metabolism aerob / anaerob sau fosforilare de

substrat / oxidativa.

Cea mai mare parte a productiei de ATP se realizeaza

la nivel mitocondrial, dar contributia acesteia difera in

functie de tipul celular; de fapt mai ales de numarul

mitocondriilor si incarcarea lor enzimatica, precum si in

functie de statusul metabolic si de oxigenare al celulei.

mitocondria = centrala energetică a celulei

energia potenţială din nutrimente ATP = energie

utilizabilă pentru întreţinerea vieţii şi activităţii celulei

numărul & densitatea mitocondriilor variază:

tip celular + status metabolic & de oxigenare

membrana dublă delimitează matricea

mitocondrială;

enzime solubile ce pregătesc nutrimentele

crestele mitocondriale = pliuri ale membranei interne

ce conţin proteine transportoare de electroni

In matricea mitocondriala

se desfasoara secventa catabolica

finala pentru toate nutrimentele,

ciclul acizilor tricarboxilici

(Krebs), in care este preluat un

rest acetil si se elibereaza doua

molecule de CO2, cu formarea

unei molecule de ATP si

reducerea uneia de flavin-

adenin-dinucleotid (FAD) si a

altor 3 molecule de nicotinamid-

adenin-dinucleotid (NAD+).

Coenzimele transportoare de

electroni (NAD & FAD) sunt re-oxidate la

nivelul membranei mitocondriale interne, in

cadrul lantului enzimatic transportor de

electroni (respirator).

Lantul respirator transfera electronii

catre oxigen, cu formare de apa; 4H+

+O2=2H2O, iar excesul de protoni este

eliberat in spatiul intermembranar,

mentinand gradientul electrochimic ce

asigura functionarea in membrana

mitocondriala interna a unei ATP-sintaze;

aceasta realizeaza fosforilarea oxidativa.

Coenzima A preia resturi acetil si le introduce in ciclul Krebs. Glucoza este catabolizata pana la piruvat cu producerea neta a 2 molecule de ATP si 2 molecule de NADH, care pot fi reoxidate prin transformarea anaeroba a piruvatului in lactat. Conversia piruvatului in acetil-coenzima A mai produce o molecula de NADH. Glicerolul de provenienta lipidica intra in calea glicolitica. Acizii grasi sunt catabolizati la nivel mitocondrial prin -oxidare, un ciclu de reactii in care intrarea se face prin conversie in acil-coenzima A, cu dubla defosforilare a unei molecule de ATP. Apoi al treilea atom de carbon din lant este hidroxilat si oxidat, cu producerea cate unei molecule de FADH2 si NADH. In final se elibereaza acetil-CoA, iar o alta molecula de CoA reintroduce in ciclu acidul gras rezultat, care este mai scurt cu doi atomi de carbon decât cel initial. Aminoacizii sunt deaminati, iar acizii carboxilici rezultati sunt convertiti la piruvat sau un intermediar din ciclul Krebs.

Reglarea intrinseca permanenta a metabolismului energetic se face

prin concentratia de ATP si ADP, alosteric la nivelul etapelor enzimatice

limitante de viteza.

Exemplul tipic este controlul fosfofructokinazei, care este inhibata de NADH, citrat si

ATP si stimulata de ADP.

La nivelul fosforilarii oxidative ADP realizeaza si asa-numitul control respirator;

scaderea ADP inhiba lantul transportor de electroni datorita gradientului protonic

excesiv creat ca urmare a scaderii activitatii ATP-sintazei; in mod normal aceasta

permite limitarea permanenta a cresterii gradientului protonic prin calea oferita pentru

difuzia retrograda (utilizata ca sursa de energie pentru sinteza ATP).

Calculele stoechiometrice arata urmatoarea productie de molecule de

ATP prin catabolizarea completa a unei molecule de nutriment:

-30 pentru glucoza,

-124 pentru un acid gras cu 18 atomi de carbon,

-maximum 12,5 pentru aminoacizi (ciclu Krebs complet).

FIZIOLOGIA

ORGANITELOR CELULARE

mitocondriile si fosforilarea oxidativa

nucleul, ribozomii si sinteza proteica

reticulul endoplasmic, lizozomii, aparatul Golgi;

traficul celular de lipide si proteine

Organismele unicelulare sunt eucariote sau procariote, dupa cum materialul genetic

reprezentat de acidul dezoxiribonucleic (ADN) este sau nu delimitat de o membrana,

adica celula prezinta nucleu tipic sau nucleoid. Cu exceptia hematiilor si plachetelor

sanguine, anucleate, toate celulele corpului uman prezinta unul sau mai multi nuclei.

Nucleul este delimitat de o dubla membrana de tip bistrat fosfolipidic,

cu pori de ~100 nm, ce asigura selectia dimensionala a moleculelor

permeante. Continutul nuclear (nucleoplasma) cuprinde cromatina,

formata din ADN si proteine asociate. In cursul mitozei cromatina se

organizeaza in cromozomi.

Celulele somatice umane sunt diploide; contin doua seturi de

cromozomi, fiecare cuprinzand 22 de cromozomi somatici si

cromozomul X sau Y (determina sexul: XX=feminin, XY=masculin).

In multe cazuri sunt vizibiil in nucleoplasma nucleoli, formati din ARNr

si proteine de tip ribozomal, reprezentand tocmai locul de asamblare a

ribozomilor.

Acizii nucleici sunt lanturi polinucleotidice monocatenare (ARN) sau

bicatenare (ADN). Nucleotidele din acizii nucleici sunt derivati glicozilati (riboza,

respectiv dezoxi-riboza) si mono-fosforilati ai unor baze purinice (adenina,

guanina) si pirimidinice (timina, citozina, uracil).

Codul genetic este un limbaj bazat pe trimeri nucleotidici numiti codoni, care

functioneaza prin complementaritatea catenelor ADN surori, utilizata in cadrul

replicarii ADN (A-T, G-C), precum si al transcriptiei ADN in ARN (A-U, G-C).

Procesele de crestere si reparatie tisulara se bazeaza pe mitoza (diviziunea

celulara somatica), in care fiecare din cele doua celule fiice (diploide) primeste

cele doua seturi complete de cromozomi.

Formarea celulelor reproducatoare (gameti; spermatozoid si ovul)

presupune un sir de mitoze si o meioza; diviziune speciala, in care fiecare din

celulele fiice, haploide, primeste numai un set de cromozomi; refacerea

diploidiei se realizeaza in cursul procesului de fecundare.

Mitoza este posibila prin replicarea intregii cantitati de ADN, pe baza

complementaritatii nucleotidelor si cu ajutorul ADN-polimerazei.

Diviziunea propriu-zisa cuprinde patru faze:

profaza (individualizarea cromozomilor si disolutia membranei nucleare),

metafaza (atasarea cromozomilor la filamentele fusului de diviziune),

anafaza (migrarea cromozomilor spre polii celulei),

telofaza (formarea noilor nuclei si separarea celulelor fiice; citokineza).

Replicarea (dublarea cantitatii; duplicarea mesajului genetic) se realizeaza

in cursul perioadei S din interfaza, ce este incadrata de perioadele de crestere,

G1 si G2, in care ADN este utilizat strict pentru transcriptie in ARN, in vederea

sintezei proteice.

ARNm este produs prin transcriptia ADN

sub actiunea unei ARN polimeraze ADN-

dependente. Aceasta determina separarea

locala a catenelor ADN dupa legare la nivelul

unei regiuni promotoare si catalizeaza legarea

nucleotidelor, rezultand transcrierea primara.

Acest ARN este procesat post-

transcriptional, fiind inlaturate secventele

nesemnificative (introni) iar cele ce codifica

secventa polipeptidica (exoni) sunt realipite,

rezultând produsul final (ARNm propriu-zis),

ce patrunde in citoplasma prin porii nucleari.

Ribozomii sunt granule libere in citosol sau atasate reticulului endoplasmic si

reprezinta sediul sintezei proteice = translatie. Secventa de aminoacizi din lantul

polipeptidic sintetizat este dictata de succesiunea codonilor din ARNm.

Alte forme de ARN intra alaturi de proteine in structura ribozomilor (ARNr) sau

transfera aminoacizii din citosol la ribozomi (ARNt).

Sinteza proteica = ribozomal = translatie

secventa de codoni din ARNm

secventa polipeptidica.

-Legarea ARNt pe ARNm la situsul A (aminoacil) din structura ribozomului

-O aminoacil-transferaza alipeste noul aa la secventa peptidica preexistenta

atasata de ARNm prin ARNt anterior la situsul P (peptidil) al ribozomului

-O translocaza determina miscarea reciproca a ribozomului si ARNm,

cu eliberarea ARNt anterior si citirea unui nou codon.

Fiecare aminoacid = un singur codon + un codon special de initiere a sintezei+ trei codoni diferiti de stopare.codoni = semnificatie translationala unica

Mesajul este decodificat cu ajutorul ARNt, fiecare aminoacid fiind adus la ribozom de o asemenea molecula specializata, ce recunoaste codonul din ARNm; prin anticodonul din propria structura.

Diferentierea celulara, deseori si reglarea functionala, se realizeaza prin controlul ratei transcriptiei genice. Aceasta presupune mecanisme complexe, bazate pe principiile stimularii prin substrat si inhibitiei prin produs, deseori folosind gene reglatoare specializate.

FIZIOLOGIA

ORGANITELOR CELULARE

mitocondriile si fosforilarea oxidativa

nucleul, ribozomii si sinteza proteica

reticulul endoplasmic, lizozomii, aparatul Golgi;

traficul celular de lipide si proteine

• Procesarea post-translationala a polipeptidelor cuprinde reactii de fosforilare,

glicozilare, proteoliza.

• Proteinele sintetizate la nivelul RER ajung în lumenul reticular şi sunt

procesate & transportate în alte regiuni.

• Aparatul Golgi este o formatiune specializata din reticulul endoplasmic,

constituita ca un ansamblu de cisterne turtite si mici vezicule (de transfer la

un pol si de exocitoza la celalalt), cu rol in procesarea post-translationala a

proteinelor secretorii & cu destinatie plasmalemala (glicozilare si impachetare

in vezicule de exocitoza) si in circuitul general al proteinelor si lipidelor.

• Extremitatile dilatate ale cisternelor se pot detasa formand vezicule libere.

Membranele acestor vezicule conţin “markeri de adresabilitate” care fac

posibila directionarea si legarea de structura de destinatie.

• Lizozomii, formati la nivelul aparatului Golgi, sunt vezicule cu continut bogat

de hidrolaze, ce realizeaza procese de digestie intracelulara a materialului de

endocitoza (heterofagie) sau a structurilor proprii (autofagie), cea din urma

mai ales in cadrul procesului de inlocuire permanenta a proteinelor pentru

mentinerea functionalitatii lor.

• Activitatea lizozomilor are un rol deosebit prin procesele de autodigestie la

procesul de reînoire (turnover) a constituienţilor celulari în mod particular a

organitelor celulare a căror activitate este deficitară. În condiţiile în care

lizozomii îşi devarsă enzimele în citosol se produce autodigestia aceasteia,

procesul se declanşează în condiţiile în care celula în cauză nu-şi mai poate

îndeplini rolul în ţesutul din care face parte.

• Peroxizomii, similari lizozomilor, conin enzime puternic oxidante care prin

intermediul oxigenului inlatura hidrogenul din substrat. Astfel de reactii sunt

importante in procesele de detoxifiere a unor produsi endogeni/exogeni.