Download - Biologie Celulara

Transcript
Page 1: Biologie Celulara

BIOLOGIE CELULARĂ

1

Page 2: Biologie Celulara

2

Page 3: Biologie Celulara

BIOLOGIE CELULARĂ

Suport de curs

3

Page 4: Biologie Celulara

Unitatea de invatare 1

Permeabilitatea membranară

In general, biomembranelor (si, inclusiv, plasmalemei) li se atribuie trei functii principale:1. rol de frontiera fizica si de bariera cu permeabilitate selectiva;2. rol de matrice pentru sistemele enzimatice complexe, care controleaza o serie de functii

celulare de baza (in particular, in cazul membranelor mitocondriale si cele ale reticulului endoplasmatic);

3. rol in recunoasterea imunitara si adezivitatea celulara (in special prin glicoproteinele membranare).

Permeabilitatea este expresia functionala a transportului prin membranele celulare. acest termen, initial vag, a fost inlocuit progresiv cu notiunea de permeabilitate selectiva, care, desi nu cuprinde totalitatea fenomenelor de transport, este larg utilizata in prezent.

Permeabilitatea selectiva a biomembranelor are semnificatii biologice esentiale:a. extragerea din mediu a substantelor plastice si energetice si concentrarea lor

intracelulara;b. eliminarea din celula a produsilor de catabolism, a unor deseuri toxice, dar si a unor

substante utile;c. reglarea volumului celular, a pH-ului si a compozitiei ionice intracelulare, necesare

mentinerii unei homeostazii moleculare permanente, indispensabile crearii unui mediu favorabil pentru activitatile enzimatice;

d. crearea gradientilor ionici responsabili de generarea excitabilitatii celulare (in special la celulele nervoase si musculare).

1.1. Factori care influentează permeabilitatea membranară

Permeabilitatea plasmalemei pentru diferite substante este influentata de o serie de factori, dintre care se pot enumera:

1. Coeficientul de partiţieSe numeste coeficient de partitie (K) raportul concentratiilor unei substante solvite in doi

solventi nemiscibili:

K = C1 / C2

in care:

C1 este concentratia substantei in primul solvent; C2 este concentratie substantei in cel de-al doilea solvent.

Fiind o structura esentialmente lipidica, cu interior hidrofob, membrana celulara este o bariera pentru majoritatea moleculelor hidrofile, impiedicand astfel pierderea substantelor hidrosolubile din celula.

In functie de polaritatea lor, deci in functie de valoarea lui K, se constata ca moleculele apolare (hidrofobe) mici, cum sunt O2, N2, benzenul, etc. se dizolva cu usurinta in bistratul lipidic membranar si patrund cu usurinta in celula. Deasemenea, moleculele neincarcate, dar polare, mici (H2O, ureea, CO2) difuzeaza cu usurinta prin membrana, deoarece au un coeficient mare de partitie in lipide.

4

Page 5: Biologie Celulara

2. Dimensiunea moleculelor depinde de greutatea moleculara a substantei si de configuratia ei spatiala, moleculele asimetrice avand un diametru mai mare decat cele simetrice. Metabolitii (aminoacizi, monozaharide) trec foarte greu prin bistratul lipidic, iar macromoleculele deloc, pentru transportul acestora din urma fiind necesare mecanisme speciale de permeabilitate.

3. Sarcina electrica (gradientul de ionizare)Bistratul lipidic membranar este impermeabil pentru orice molecule incarcate electric (ioni),

indiferent de talia acestora.Cu toate acestea, membrana este permeabila, intr-un grad crescut, pentru un mare numar

de molecule polare si ionizate, de talie diferita: ioni, carbohidrati, aminoacizi, nucleotide, etc. Transferul acestor molecule se realizeaza prin intermediul proteinelor membranare de transport, prezente in toate tipurile de membrane biologice.

Unele proteine transportoare sunt strict specializate in transportul unei singure substante solvite, dintr-o parte in cealalta a membranei, fiind numite proteine uniport. Alte proteine sunt sisteme de cotransport, intervenind in transferul unui solvit concomitent sau secvential cu un al unui al doilea solvit, fie in aceeasi directie (simport), fie in directie opusa (antiport).

De exemplu, transportul intracelular al zaharurilor la multe bacterii depinde de cotransportul H+ (simport), pe cand pompa de Na+-K+ realizeaza influxul de K+ si efluxul de Na+, operand ca un antiport.

4. Marimea sarcinii electrice a ionilor, influenteaza, de asemenea, permeabilitatea. Cationii (Na+, K+) si anionii (Cl+) monovalenti traverseaza mai usor membrana decat cei bivalenti (Mg2+, Ca2+, SO4

2-), iar acestia, la randul lor, mai usor decat cei trivalenti (Fe3+).

5. Gradul de hidratare reduce difuziunea transmembranara. De exemplu, Na+, desi are o raza atomica mai mica decat K+, este mai greu permeabil,

deoarece are un invelis de hidratare mai voluminos decat acesta din urma.

6. pH-ul modifica permeabilitatea moleculelor prin membrana celulara. De exemplu, permeabilitatea creste in cazul bazelor slabe (amine, alcaloizi) prin cresterea

pH-ului, datorita reducerii disocierii acestora. In cazul acizilor, cresterea pH-ului induce cresterea disocierii acestora si in consecinta, reducerea permeabilitatii lor membranare.

Tinand cont de toti acesti factori se constata de exemplu, ca H2O si moleculele mici, nepolare sau neutre, difuzeaza foarte rapid prin bistratul lipidic, pe cand moleculele mari, polare si in special ionii, patrund foarte greu prin aceste componente moleculare.

1.2. Tipuri de transport membranar

Desi o clasificare unitara a tuturor posibilitatilor de transport prin membrana celulara este dificil de realizat, prezentarea lor globala poate fi facuta tinand cont de mai multe criterii, printre care :

a. marimea particulelor transportate;b. categoriile de molecule transportate (ioni anorganici, molecule organice, etc.);c.mecanismele de transfer (structurile moleculare implicate in transport, consumul

energetic afectat);d.particularitatile celulare ale transportului.Reunind toate aceste criterii, tipurile de transport prin biomembrane pot fi sistematizate si

rezumate astfel (fig. 1.1.):

Microtransferul membranar

transportul pasiv - difuzia simpla (prin bistratul lipidic)- difuzia facilitata- difuzia prin proteine - canal

5

Page 6: Biologie Celulara

transportul activ- transportul activ primar- transportul activ secundar- translocatia de grup

Macrotransferul membranar

transportul direct al macromoleculelortransport prin vezicule (endocitoza, exocitoza, transcitoza)

Fig. 1.1. Comparatie intre diferitele forme de transport pasiv si transportul activ

1.2.1. Microtransferul membranar - transportul pasiv

Transportul pasiv se realizeaza prin forte pasive, generate de existenta unor gradienti chimici, electrici sau de presiune hidrostatica intre mediul extracelular si mediul intracelular. Transportul pasiv nu implica reactii chimice intre membrana celulara si moleculele transportate si nici consum de energie metabolica.

a. Difuzia simpla (difuzia prin bistratul lipidic)

Daca doua solutii de concentratie diferita sunt puse in contact, in absenta unei membrane despartitoare, se produce un amestec intre ele, prin fenomenul de difuzie simpla. Cu cat diferenta de concentratie dintre cele doua solutii este mai mare, cu atat si viteza difuziei va fi mai mare si invers. Prezenta unei membrane biologice scade foarte mult viteza difuziei simple (de cca. 106 - 109 ori) (fig 1.2.).

Daca intre cele doua fete ale membranei exista un gradient de concentratie, iar gradientul de potential electric si gradientul de presiune hidrostatica sunt nule, fluxul unei substante prin membrana va fi calculat dupa legea lui Fick. Forma integrata, finala, a legii lui fick este urmatoarea:

F = - P (C1 - C2)

unde:

6

Page 7: Biologie Celulara

F = fluxul substantei prin membrana; P = coeficientul (constanta) de permeabilitate;C1 si C2 = concentratiile substantei pe cele doua fete ale membranei.

Fig. 1.2. Fenomenul de difuzie a unei substante intre doua compartimemte separate de o membrana

In cazul ionilor, pe langa gradientul de concentratie intervine si gradientul de potential electric intre cele doua fete ale membranei (E1 si E2).

In cazul difuziei simple prin bistratul lipidic, viteza de patrundere a substantelor in celule este proportionala cu solubilitatea acestora in lipide, adica cu coeficientul de partitie. Coeficientul de partitie are o valoare cu atat mai ridicata cu cat substanta este mai liposolubila (hidrofoba).

Corelarea constantei de permeabilitate din legea lui Fick cu coeficientul de partitie ulei/apa a confirmat abilitatea substantelor de a traversa membrana in functie de gradul lor de liposolubilitate. De exemplu, efectul narcoticelor este direct proportional cu coeficientul lor de partitie ulei/apa: etanol - 0,03; propanol - 0,13; eter - 2,4; timol - 600.

Pe langa liposolubilitate si volumul molecular joaca un rol important in difuzia simpla. Luarea in considerare a acestui factor explica de ce unele substante, desi sunt polarizate electric, traverseaza cu usurinta plasmalema (apa, ureea, metanolul, formaldehida etc).

La substantele cu greutate moleculara (GM) mai mare de 75 Da, pe langa factorii amintiti, patrunderea prin membrana mai este influentata si de gradul de ramificare al moleculei (cel putin in cazul celulelor vezicii biliare si al eritrocitelor umane).

In sfarsit, studiile efectuate pe eritrocite umane au aratat ca permeabilitatea moleculelor mari prin stratul lipidic (cu GM mai mare de 75), este influentata si de capacitatea acestora de a forma legaturi de hidrogen. Formarea legaturilor de hidrogen creste densitatea si scade volumul molecular, necesitand ruperea tuturor puntilor de hidrogen dintre moleculele substantei si apa la patrunderea acesteia prin membrana. Cu cat numarul legaturilor de H este mai mare, cu atat membrana va fi mai putin permeabila pentru substanta respectiva.

b. Difuzia prin proteine-canal

Difuzia apei prin membrane este mai intensa decat a oricarei alte substante. In mod normal, trecerile apei prin membrana plasmatica, in ambele sensuri, sunt echivalente, astfel incat fluxul hidric net este nul, iar volumul celulei se mentine constant.

In anumite conditii insa, apare o diferenta a concentratiei transmembranare a apei, generandu - se un flux hidric net prin membrana, care conduce, in functie de sensul sau, la turgescenta sau la ratatinarea celulei. Acest flux de apa reprezinta fenomenul de osmoza si se produce ori de cate ori intre compartimentul intern si compartimentul extern celular exista o diferenta de concentratie a ionilor (moleculelor) nedifuzibili. Tendinta miscarii moleculelor de apa spre compartimentul in care solvitul (solvitii) este mai concentrat, poate fi contracarata prin aplicarea unei presiuni la nivelul solutiei mai concentrate. Aceasta marime - presiunea osmotica

7

Page 8: Biologie Celulara

relativa a solutiei reprezinta presiunea care trebuie aplicata pentru anularea fenomenului osm –ozei (fig. 1.3.)

Permeabilitatea pentru apa a unei membrane poate fi explicata prin doua mecanisme de transfer transmembranar:

in absenta unui flux hidric net - prin difuzie, care se supune legii lui Fick; in conditiile unui flux hidric net, difuzia apei este conditionata de legi hidrodinamice

(filtrare), sau legile osmozei.

Fig. 1.3. Fenomenul de osmoza si presiunea osmotica a solutiilor din doua medii separate de o membrana semipermeabila

Ambele mecanisme de permeabilitate hidrica trebuie sa tina cont de starile apei (apa libera, sau apa “legata”, indeosebi de proteine) si de structurile membranare la nivelul carora se produce transportul acestei substante. Din acest punct de vedere, se presupune existenta unor “pori” aposi, de natura proteica, sau a unor transportori, a caror caracterizare precisa ramane inca in studiu.

Transportul apei prin dublul strat lipidic, realizat prin modificarile conformationale ale lanturilor hidrocarbonat, ce se deplaseaza de o parte si de alta a membranei, nu este o ipoteza acceptabila. Desi acest mecanism poate fi responsabil pentru cel mult 10% din cantitatea de apa transportata, el ofera un coeficient de permeabilitate de 10 ori mai mic fata de cel constatat experimental. Cea mai mare parte a apei ( cca. 90%) este transportata prin “pori” proteici.

Canale proteice apoase se pot constitui fie in interiorul proteinelor membranare, fie in zona de contact dintre mai multe subunitati proteice, asociate in ansambluri. Unii pori proteici pentru apa permit trecerea acestor molecule, in exclusivitate, in timp ce altii permit si trecerea moleculelor mai mic

In timp ce canalele formate de proteinele de transport ale apei sunt permanent deschise, alte canale permit doar o comunicare tranzitorie. Acestea sunt canalele cu poarta, implicate in

8

Page 9: Biologie Celulara

transportul unor electroliti si ioni, in functie de gradientul lor de concentratie. Exista doua tipuri de canale cu poarta (fig. 1.4.):

- canale ligand - dependente - care se deschid ca raspuns al atasarii unui ligand la aceste proteine, sau de proteine asociate, cu rol de receptor;

- canale voltaj - dependente - care se deschid in conditii de depolarizare a membranei.

Fig. 1.4. Tipuri de canale cu poarta

In majoritatea cazurilor, canalele cu poarta se inchid rapid, chiar daca stimulul care le - a deschis initial persista.

La nivelul jonctiunii neuro-musculare, raspunsul muscular (contractia), obtinut prin stimularea nervului motor, implica inchiderea si deschiderea secventiala a cel putin 4 seturi de canale diferite, in mai putin de o secunda.

c. Difuzia facilitata

O serie de substante (uree, glucoza, aminoacizi) trec prin membrane cu viteze de aproximativ 100.000 ori mai mari decat ar fi de asteptat, tinand cont de dimensiunea si solubilitatea lor in lipide. Acest tip de transport a fost denumit difuzie facilitata si este considerat o forma de transport pasiv deoarece se realizeaza in virtutea gradientului de concentratie si faciliteaza atingerea echilibrului electrochimic mult mai rapid decat in cazul difuziei simple. Transportul facilitat nu necesita consum de energie pentru realizare si nu este blocat de inhibitori ai respiratiei si glicolizei.

Astazi este acceptat faptul ca substratul molecular al difuziei facilitate este reprezentat de proteine mobile, care functioneaza ca niste “carausi” (carrieri), legand specific si transportand solvitul de pe o parte pe cealalta a membranei celulare. Procesul este asemanator cu o reactie enzima - substrat, carrierii comportandu-se ca enzime atasate membranei (fig. 1.5.).

Analogia difuziei pasive cu un proces enzimatic este totusi limitata, deoarece moleculele solvite transportate nu sunt de obicei modificate covalent de proteina transportoare. Difuzia facilitata are cateva trasaturi caracteristice:

- specificitatea - fiecare proteina carrier poseda un situs specific de legare pentru un anumit solvit transportat;

- saturatia - atunci cand carrierul este saturat (toate siturile de legare sunt ocupate), viteza de transfer este maxima. Cinetica transportului este similara cineticii enzimatice de tip Michaelis-

9

Page 10: Biologie Celulara

Menten. Orice carrier are o constanta de legare caracteristica (Km), egala cu cantitatea de solvit transportata la 1/2 din viteza maxima de transport;

- competitivitatea - transportul poate fi blocat prin inhibitori competitivi (care concureaza pentru acelasi situs de legare), sau necompetitivi (care se leaga si altereaza specific structura carrierului).

Desi detaliile moleculare ale difuziei facilitate sunt incomplet intelese, este improbabil ca procesul sa implice “navigarea” propriu-zisa a carrierului prin membrana. Este mult mai plauzibil ca proteinele transportoare sa sufere o schimbare conformationala reversibila, care sa conduca la transferul solvitului de pe o fata pe cealalta a membranei.

Fig.1.5. Difuzia facilitata – transportul intracelular al glucozei prin intermediul unui carrier specific

1.2.2. Microtransferul membranar - transportul activ

Transportul activ are loc impotriva gradientilor de potential electrochimic, necesitand un consum de energie pentru realizare, energie furnizata de o reactie exergonica.

In functie de cuplarea directa sau indirecta a transportului cu reactia energetica, transportul activ se poate clasifica in: transport activ primar, transport activ secundar si translocatie de grup.

a. Transportul activ primar

Transportul activ primar este cuplat direct cu o reactie exergonica, reprezentata, cel mai frecvent, de hidroliza legaturii macroergice din moleculele ATP - ului.

O ATP - aza membranara (enzima) serveste ca intermediar comun, catalizand cele doua procese: hidroliza ATP-ului si transportul de ioni. Pana in prezent s-au identificat mai multe ATP-aze, care corespund la tot atatea forme de transport activ primar:

ATP - aza Na+/K+ - dependenta

Membrana celulara nu este la fel permeabila pentru toate speciile ionice. In general, membranele sunt mai permeabile pentru ionii de K+ si Cl-, mult mai putin

permeabile pentru Na+ si impermeabile pentru ionii mari, proteici, care contin sarcini electronegative la unele reziduuri de aminoacizi. Cantonarea acestor anioni proteici in interiorul celulelor (in citoplasma), determina un influx puternic de K+ si un influx redus de Cl-. Numarul total al sarcinilor negative intracelulare (proteine si Cl-) este contrabalansat astfel de concentratia ionului

10

Page 11: Biologie Celulara

de potasiu. In consecinta, compartimentul intra - si extracelular devin neutre din punct de vedere electric; se creaza astfel un echilibru de membrana - echilibrul Donnan.

Conform postulatelor lui Donnan, la echilibru produsul concentratiei ionilor difuzibili este egal, pe ambele fete ale membranei plasmatice. Aceasta distributie ionica de o parte si de alta a plasmalemei da nastere unui gradient electrochimic si unei incarcari electrice a membranei (negativa la interior si pozitiva la exterior). Fluxurile ionilor, pe directia gradientului lor de concentratie, sunt contrabalansate de fluxuri inverse, care mentin echilibrul ionic si polaritatea membranei celulare.

Ulterior s-a dovedit, prin masurarea concentratiei ionilor pe ambele fete ale plasmalemei, ca valorile prezise de Donnan (in special pentru Na+) nu concorda cu cele determinate experimental, iar energia libera din cele doua compartimente nu este egala.

Determinarea potentialului de membrana pe axonii giganti de calmar a condus la concluzia ca acest parametru este determinat, in cea mai mare masura, de gradientul concentratiei de K+ si ca membrana, in repaus, este mai permeabila pentru K+ decat pentru Na+. In generarea si mentinerea potentialului membranar de repaus au fost identificate doua tipuri de proteine:

canalele de K+ - intervin in efluxul de potasiu, pe directia gradientului sau de concentratie, avand ca rezultat incarcarea electrica negativa a interiorului si pozitiva a exteriorului membranei. Pe masura ce diferenta de potential creste, efluxul de potasiu scade, iar, la – 75 Mv, tendinta de iesire a potasiului este contrabalansata de patrunderea lui in celula, fluxul net al acestui ion devenind zero. Gradientul electrochimic al K+ se anuleaza.

In mica masura, canalele de potasiu sunt permeabile si pentru Na+, care patrunde lent in celule, conform gradientului sau de concentratie. Pozitivarea interiorului celulei, prin patrunderea sodiului, genereaza un nou eflux de potasiu. In felul acesta, prin perpetuarea celor doua tendinte in timp, se poate ajunge la o egalizare a concentratiei de sodiu si de potasiu si la disparitia potentialului de membrana. Acest fenomen este insa contrabalansat de existenta pompelor de Na+

si K+ in membrana, care expulzeaza permanent sodiu si reintroduc potasiul; pompa de Na+ - K+ Notiunea de “pompa de Na+” a fost introdusa de Dean, ca mecanism capabil sa efectueze un “lucru metabolic”. In 1957, Skou postuleaza, ca baza enzimatica pentru transportul activ, Na+/K+ ATP - aza. Ulterior, s-a dovedit ca aceasta enzima este o proteina membranara, care reprezinta insasi pompa de sodiu-potasiu. Functionarea optima a acestei enzime (hidroliza ATP - ului in ADP si Pi) necesita prezenta obligatorie ATP – ului.

ATP - aza Na+/K+ - dependenta are cateva caracteristici principale: transportul de sodiu si potasiu este strans cuplat cu hidroliza ATP-ului. Prin

utilizarea inhibitorilor cardiotonici ai fosforilarii oxidative (glicozidelele digitalina si ouabaina), transportul ionilor este blocat;

pompa prezinta specificitate pentru K+ numai la exteriorul membranei, iar pentru Na+

numai la interior; ouabaina are efect numai pe fata externa a membranei, deoarece este un inhibitor

competitiv pentru situsurile de fixare ale potasiului; pentru fiecare molecula de ATP hidrolizata, ATP - aza pompeaza la exterior 3 ioni

Na+ si introduce 2 ioni K+, fiecare molecula enzimatica hidrolizand 100 moli de ATP/sec.

Ulterior, ATP - aza Na+/K+ - dependenta a fost purificata, gasindu-se ca ea este formata din doua subunitati: o subunitate catalitica, reprezentata de o proteina transmembranara ( de cca. 100.000 Da), care contine siturile de atasare ale Na+ si ATP-ului pe fata citosolica si siturile pentru K+ si ouabaina pe fata externa a membranei si o glicoproteina ( de circa 45.000 Da), a carei functie este inca necunoscuta (fig. 1.6.).

Pompa de Na+ si K+ functioneaza ca un antiport, pompand activ Na+ in afara celulei si K+ in interior, impotriva gradientilor lor electrochimici. Legarea Na+ pe fata citosolica a ATP - azei si hidroliza consecutiva a ATP-ului induc o schimbare conformationala a proteinei, care face ca Na+

sa fie transportat prin membrana si eliberat la exteriorul celulei. Legarea K+ pe fata externa si defosforilarea determina transferul transmembranar al acestui ion si eliberarea lui in celula. Aceste schimbari conformationale sunt analoge cu tranzitiile de tip “ping-pong”, caracteristice transportului

11

Page 12: Biologie Celulara

mediat, dar implica consum de energie metabolica si o secventa stricta a etapelor de transport (fig. 1.7.).

ATP - aza Na+/K+ - dependenta este prezenta virtual in membrana plasmatica a tuturor celulelor vegetale si animale si este responsabila nu numai de mentinerea potentialului de membrana, dar si de mentinerea volumului celular si dirijarea transportului activ al unor aminoacizi si zaharuri. Mai mult de 1/3 din consumul energetic al celulei in repaus este afectat functionarii pompei de Na+ si K+.

Fig. 1.6. Structura si caracteristicile ATP - azei Na+/K+ - dependente

Fig. 1.7. Ciclul de functionare a ATP - azei Na+/K+ - dependente

12

Page 13: Biologie Celulara

Pompele de Ca2+

Celulele eucariote isi mentin o concentratie citosolica a Ca2+ foarte scazuta ( ~ 10-7 m) in comparatie cu concentratia extracelulara a acestui ion (~10-3m). Fluxul intracelular de calciu este responsabil in mare masura de transmiterea transmembranara a semnalelor de importanta biologica majora. Gradientul de Ca2+ este partial mentinut de pompele de Ca2+, dintre care unele au activitate ATP - azica.

Cea mai cunoscuta este pompa de Ca2+ atasata membranelor reticulului sarcoplasmatic. In conditii de repaus, aceasta pompa reintroduce activ calciul din citosol in reticul, dupa ce

acesta a fost expulzat din cisternele RE in timpul contractiei musculare. Ca si pompa de Na+/K+, pompa de Ca+ este ATP - dependenta, hidrolizand 10 moli ATP/sec si introducand in reticul cate 2 atomi de calciu pentru fiecare molecula de ATP hidrolizata. aceasta ATP - aza este formata dintr-o singura catena polipeptidica, cu o secventa de circa 1000 aminoacizi.

ATP - aza H+/ K+ - dependenta

A fost identificata in celulele gastrice, realizand efluxul de H+ cuplat cu influxul de K+.

ATP-aza H+ - dependenta (pompa protonica)

A fost detectata in membrana procariotelor si realizeaza transportul de ionilor de hidrogen, din interiorul celulei spre exterior (fig 1.8.). O asemenea ATP - aza exista si la nivelul membranelor mitocondriale.

Fig. 1.8. ATP-aza H+ - dependenta (pompa protonica

b. Transportul activ secundar

Gradientele de potential electrochimic, generate de transportul activ primar, pot reprezenta baza transportului activ secundar, pentru numerosi solviti: monozaharide, aminoacizi, ioni anorganici, etc. Sistemele de transfer implicate in acest tip de transport sunt de tip cotransport - unele simport, iar altele antiport.

De exemplu, patrunderea glucozei in celule intestinale sau renale se realizeaza printr-un sistem simport, care leaga glucoza si Na+ pe doua situsuri diferite ale carrierului pentru glucoza.

Influxul de Na+ se face pe directia gradientului sau de concentratie, ionul “tragand” si glucoza in acelasi sens. Cu cat gradientul Na+ va fi mai mare, cu atat si rata de intrare a glucozei va fi mai importanta. Na+ patruns in celule va fi extruzat apoi in lichidele extracelulare de pompa de natriu - potasiu, mentinandu-si in acest fel un gradient constant, care dirijeaza in continuare fluxul intracelular de glucoza.

In unele celule intestinale absorbante proteinele transportoare sunt distribuite asimetric in membrana celulara, contribuind in acest fel la transportul transcelular al substantelor absorbite .

13

Page 14: Biologie Celulara

Astfel, sistemele simport natriu - dependente, localizate in membrana apicala a enterocitelor, transporta nutrientii in celula (de exemplu, glucoza), in timp ce proteinele de transport independente de sodiu, din membrana bazala, permit eliminarea nutrientilor in sange, fara consum energetic. Concentratia intracelulara a Na+ se mentine prin functionarea unei ATP-aze de Na+ si K+, situata in membrana bazala sau laterala a acelorasi celule (fig. 1.9.).

Fig. 1.9. Transportul activ secundar al glucozei in celulele epiteliului intestinal

In membrana plasmatica a multor celule animale, s-au descris cel putin 5 carrieri pentru aminoacizi, fiecare carrier fiind specific pentru un grup inrudit de aminoacizi. Acestia opereaza ca sisteme simport cu sodiul.

La bacterii, cele mai active sisteme transportoare dirijate de gradientele ionice utilizeaza in special H+ in loc de Na+, ca ion cotransportat. De exemplu, proteina carrier pentru lactoza (permeaza sau proteina m) este un monomer transmembranar (de circa 30.000 Da), care functioneaza simport cu H+. Pentru fiecare molecula de lactoza transportata in celula se cotransporta cate un proton.

c. Translocatia de grup

O alta categorie de transport activ, intalnita la unele celule bacteriene, este translocatia de grup.

De exemplu, transportul unor zaharuri in celulele bacteriene implica fosforilarea acestor molecule in timpul transferului lor prin membrana. Deoarece sunt ionizate si nu pot difuza din celula, ozele fosforilate se acumuleaza in citoplasma. In plus, prin fosforilarea moleculelor glucidice, concentratia citoplasmatica a glucidelor nefosforilate este mentinuta la valori foarte scazute, astfel incat noi molecule patrund in celula. Aceste mecanisme de transport utilizeaza ca sursa energetica principala fosfoenolpiruvatul, in locul ATP-ului (fig. 1.10.).

14

Page 15: Biologie Celulara

La bacterii exista numeroase sisteme de transport activ pentru glucide si aminoacizi, bazate pe o clasa speciala de proteine solubile in apa, localizate in spatiul dintre membrana si peretele celular, numite proteine periplasmatice. Desi mecanismul lor de functionare ramane neclar, se pare ca cel putin o proteina aditionala este necesara in acest tip de transport. Aceleasi proteine periplasmatice activeaza si ca receptori chemotaxici pentru unele bacterii, asociindu-se in proportie importanta cu proteinele membranare care vor transloca semnalul chimic in interiorul celulei.

1 2

4 3

Fig. 1.10. Etape ale translocatiei de grup a glucozei prin plasmalema celulelor bacteriene

1.2.3. Macrotransferul membranar

Majoritatea celulelor sunt capabile sa ingere din sau sa elimine in mediu macromolecule (proteine, polizaharide, polinucleotide) sau chiar particule mai mari (toxine bacteriene, resturi celulare, microorganisme, etc.).

Mecanismele acestui macrotransfer sunt foarte diferite in comparatie cu cele care mediaza transportul ionilor si al micromoleculelor prin membrana. In functie de modalitatile de realizare, se

disting doua tipuri majore de macrotransfer: direct si mediat (prin vezicule transportoare).

.a. Transportul direct al macromoleculelor prin membrana plasmatica

In anumite conditii, celulele pot ingloba direct o serie de macromolecule, care traverseaza plasmalema fara ajutorul unor structuri specializate.

De exemplu, in cadrul procesului de transformare genetica, moleculele de ADN purificate trec prin peretele celular bacterian, patrund in citoplasma si modifica structura genetica a acestor organisme; unele toxine bacteriene, de natura proteica, penetreaza direct in citoplasma celulelor animale, pastrandu-si intacte capacitatile functionale.

15

Page 16: Biologie Celulara

La nivelul endomembranelor, proteinele sintetizate si acumulate in lumenul reticului endoplasmatic rugos, traverseaza membrana acestuia si ajung in citosol.

Desi este clar ca, in oricare dintre aceste cazuri, macromoleculele traverseaza membranele fara a forma vezicule transportoare, mecanismele transferului direct raman inca necunoscute.

b. Macrotransferul prin vezicule transportoare

Aceasta modalitate de macrotransfer implica formarea si fuzionarea secventiala a unor vezicule, cu origine in membrana plasmatica.

In functie de sensul de trecere al macroparticulelor prin membrana, macrotransferul prezinta doua variante fundamentale, cu ordine de desfasurare relativ inversa: endocitoza si exocitoza.

Endocitoza

Procesul consta in ingestia substantelor macromoleculare prin includerea acestora la nivelul unei mici portiuni a membranei celulare, care se invagineaza progresiv si, in final, se inchide sub forma unei vezicule ce contine materialul ingerat.

In functie de marimea particulelor inglobate si de dimensiunile veziculelor formate, se disting 2 tipuri de endocitoza: pinocitoza (gr.pinein - a bea), care consta in ingestia de lichide sau solviti, prin vezicule mici (endozomi) si fagocitoza (gr. phagein - a manca), in care sunt ingerate microorganisme si resturi celulare, prin vezicule mari (vacuole fagocitare).

Deoarece pinocitoza se desfasoara continuu si se intalneste la marea majoritate a celulelor, pe cand fagocitoza este caracteristica unor celule specializate, termenii de pinocitoza si endocitoza sunt folositi cu sens sinonim, in numeroase cazuri. Principalele etape alede procesului endocitoza sunt: formarea de vezicule intracitoplasmatice, care contin material extracelular, prin invaginarea

progresiva a plasmalemei si pensarea marginilor acesteia, rezultand vezicula endocitara (endozom sau pinozom). Veziculele formate au un perete bistratificat lipidic, cu monostratul intern expus la exterior. Imediat dupa formarea lor, aceste vezicule raman atasate o perioada la fata interna a plasmalemei, in apozitie cu aceasta, formand o structura pentalaminara, observabila la microscopul electronic. Veziculele sunt imediat apoi antrenate in citosol, prin curentii citoplasmatici (fig. 1.11.).

Fig. 1.11. Etapele formarii veziculelor endocitare

16

Page 17: Biologie Celulara

veziculele formate, variabile ca forma si dimensiuni (intre 50 - 400 nm), se maresc progresiv, prin fuzionarea lor, fie cu alte vezicule, fie, in majoritatea cazurilor, cu lizozomii primari. Se formeaza astfel lizozomi secundari.

materialul prezent in lizozomii secundari este digerat sub actiunea hidrolazelor acide prezente in matricea acestora. Produsii de biodegradare rezultati in urma digestiei (macromolecule) traverseza membrana lizozomilor secundari si ajung in citosol, unde sunt utilizati de celula.

In unele cazuri, unii constituenti ai sunt sustrasi degradarii hidrolitice, prin desprinderea de microvezicule din lizozomii secundari, care transporta materialul direct, sau prin intermediul aparatului Golgi, inapoi la plasmalema.

Exista si vezicule endocitare care nu fuzioneaza cu lizozomii primari, ci trec prin citoplasma, transportand materialul ingerat de la o suprafata celulara la suprafata celulara opusa. Procesul este numit transcitoza (citopemfis), transportand, de exemplu, produsii de digestie, prin endoteliul capilar, din plasma in lichidele interstitiale, in mod direct. Veziculele implicate in transcitoza (de ~ 70 nm diametru) fuzioneaza intre ele, precum si cu cele doua membrane opuse ale aceleiasi celule, formand un canal continuu in citoplasma, prin care se face transportul de lichid.

Teoretic, toate celulele eucariote au capacitati endocitare. Deoarece acest proces decurge continuu si spontan, este denumit endocitoza constitutiva (endocitoza in faza fluida).

Ritmul endocitozei constitutive este surprinzator de mare. De exemplu, un macrofag isi poate ingera 25% din propriul volum intr-o ora, adica 100% din suprafata membranara in 1/2 ora. Unele amoebe poseda o rata de ingestie si mai inalta.

Deoarece suprafata si volumul celular raman neschimbate in timp, este evident ca membrana celulara este regenerata intr-un ritm egal cu consumul ei, prin exocitoza. Astfel se recicleaza o buna parte din lipidele si proteinele membranare, avand loc un veritabil flux membranar intracelular.

Endocitoza multor celule eucariote se realizeaza printr-o clasa speciala de vezicule, numite vezicule acoperite, care provin din invaginarea unor portiuni membranare “imbracate”, de pe fata citoplasmatica a plasmalemei.

Prin studiul biochimic al veziculelor acoperite, izolate, s-a gasit ca principala proteina constitutiva a invelisului veziculelor este clathrina. Clathrina este o proteina fibrilara (~180.000 Da), asociata cu o polipeptida mai mica (~35.000 da), formand impreuna o structura moleculara de baza, ramificata, numita trischelion, alcatuita din 3 molecule de clathrina si 3 molecule polipeptidice asociate. In arhitectura invelisului de clathrina moleculele individuale sunt aranjate reciproc intr-o retea tridimensionala de hexagoane si pentagoane, care formeaza un poliedru regulat (fig. 1.12.).

Fig. 1.12. Aspectul invelisului de clathrina al unei vezicule acoperite si structura trischelionului

17

Page 18: Biologie Celulara

Zonele acoperite cu clathrina ale membranei reprezinta, pentru majoritatea celulelor animale, o modalitate de realizare a endocitozei receptor-mediate (endocitoza adsorbtiva).

Receptorii situati in aceste regiuni fixeaza diferite molecule specifice, iar ulterior are loc formarea de vezicule acoperite (care contin substantele respective) cu un ritm mult mai accelerat decat in endocitoza constitutiva.

Un exemplu foarte important de endocitoza receptor - mediata il reprezinta ingestia colesterolului de catre celulele animale, sub forma de lipoproteine cu densitate mica (LDL), care contin circa 1500 molecule de colesterol esterificat.

Proteinele de pe suprafata LDL se fixeza prin complementaritate pe receptorii membranari din regiunile acoperite ale membranei, receptori sintetizati de celulele cu necesitati crescute de colesterol pentru formarea propriilor membrane. Particulele LDL fixate sunt rapid internalizate in endozomi, care ulterior fuzioneaza cu lizozomii primari, formand lizozomi secundari. In lizozomii secundari se produce hidroliza esterilor prezenti, rezultand colesterol liber, ce difuzeaza in citoplasma si serveste pentru sinteza de noi membrane. Mecanismul, in ansamblul sau, constituie o cale de inlaturare a colesterolului din circulatie si de prevenire a formarii placilor aterosclerotice.

La persoanele cu gene defective in sinteza receptorilor pentru LDL, receptorii respectivi sunt anormali, fie in situsul de legare al LDL, fie in situsul de atasare la clathrina membranara. In acest al doilea caz, desi un numar corespunzator de proteine - receptor este prezent in membrana, ele nu se pot localiza in regiunile de formare ale veziculelor acoperite si, in consecinta, LDL nu poate fi internalizat in endozomi. Fagocitoza reprezinta, pentru majoritatea protozoarelor, o forma de hranire, deoarece produsii digestiei particulelor inglobate, ajunsi in citosol, refac rezerva intracelulara de substante plastice si energetice ale acestora.

In organismele multicelulare animale, fagocitoza este un atribut al celulelor specializate, “profesioniste” - macrofage si leucocite polimorfonucleare (neutrofile). Aceste celule inglobeaza atat microorganismele invadante, cat si celulele senescente sau distruse (de exemplu, macrofagele fagociteaza peste 1011 hematii imbatranite/zi).

Ca si in cazul endocitozei, vacuolele fagocitare (fagozomii), continand particulele inglobate, fuzioneaza cu lizozomii primari, formand lizozomi secundari (fagolizozomi), in care materialul este degradat. Substantele nedigerate sunt stocate in unii lizozomi secundari, formand corpii reziduali (fig 1.13.).

Fig. 1.13. Etapele procesului de fagocitoza

Inglobarea particulelor solide de catre fagocite este un proces mediat, care presupune atasarea la membrana acestor celule doar a acelor structuri care au fost acoperite in prealabil de

18

Page 19: Biologie Celulara

un invelis de anticorpi, secretat de catre celula fagocitara. Atasarea particulelor invelite de anticorpi la receptorii de membrana induce formarea de pseudopode fagocitare, care vor forma, dupa fuziune, fagozomul. In conditiile in care anticorpii nu sunt uniform distribuiti pe suprafata celulei pe cale de fagocitare, ci “capati” (aglomerati) la un pol al acesteia, fagocitoza nu este completa, ci se finalizeaza doar cu un inceput de invaginare polara a membranei celulare.

Pana in prezent nu se cunoaste precis mecanismul de recunoastere de catre fagocite, a celulelor moarte sau imbatranite, ca antigeni.

Exocitoza

Numeroase celule eucariote secreta la exterior micro- si macromolecule, prin vezicule care fuzioneaza cu plasmalema, prin procesul de exocitoza. O serie de molecule raman atasate la plasmalema sub forma de invelis celular, altele sunt inglobate in matricea extracelulara, iar altele difuzeaza in plasma sau in lichidele interstitiale, ca nutrienti sau semnale pentru alte celule.

Veziculele exocitare, continand materialul sintetizat la nivelul sistemului vacuolar citoplasmatic, se deschid permanent la nivelul plasmalemei, eliberandu-si continutul la exteriorul celulei. Procesul poate fi secventializat in doua faze: de aderenta la monostratul lipidic intern si de fuzionare cu portiunea respectiva a membranei celulare. Aderenta dintre vezicule si membrana celulara, de tip bistrat lipidic, confera o imagine pentalamelara caracteristica, intalnita si in endocitoza.

Unele vezicule fagocitare, numite vezicule secretorii, sunt depozitate in citoplasma si exociteaza numai sub actiunea unui semnal chimic extracelular. Aceste semnale, reprezentate, de obicei, de hormonii legati la receptori membranari specifici, determina o crestere temporara a concentratiei Ca+2 in citosol, crestere care initiaza fuzionarea veziculelor cu membrana plasmatica si , in final, exocitoza (fig.1.14.) .

Fig. 1.14. Exocitoza: etape si variante

Ca2+ actioneaza regional in celulele secretorii, producand un raspuns localizat (numai in portiunea de citoplasma situata in zona membranei cu receptorii specifici pentru un anumit ligand). In conditiile in care stimularea nu este specifica, formarea de vezicule exocitare are loc in intreaga citoplasma, iar eliminarea produsilor de secretie pe intrega suprafata a membranei plasmatice.

Cantitatea de vezicule care suplimenteaza suprafetele membranare este enorma: de exemplu, in celulele acinoase pancreatice, cca. 900 m2 de membrana sunt adaugati la suprafata apicala a celulelor, in timpul stimularii hormonale.

19

Page 20: Biologie Celulara

Se cunoaste relativ putin in legatura cu dirijarea si potentarea traficului intracelular al veziculelor endo - sau exocitare. Aceste procese necesita energie metabolica, provenita din hidroliza ATP-ului. De asemenea, sunt evidente ca actina si miozina sunt implicate in formarea si miscarea pseudopodelor in timpul fagocitozei, dar nu este sigur daca aceste molecule joaca un rol si in endocitoza constitutiva sau receptor - mediata. Mecanismul - tinta de recunoastere si fixare a veziculelor la diferite endomembrane este, inca, partial cunoscut.

20

Page 21: Biologie Celulara

Intrebari de verificare si evaluare a cunostintelor

1. Ce functii principale indeplinesc biomembranele (si, in special, plasmalema)?2. Care sunt semificatiile vitale ale permeabilitatii membranare pentru viata si activitatea

celulelor?3. Care sunt principalii factori care influenteaza permeabilitatea membranei plasmatice pentru

diferite substante si cum intervin acestia in modularea acestei functii?4. Prin ce caracteristici difera transportul pasiv al moleculelor prin membrane plasmatica de

cel activ?5. Care sunt deosebirile dintre cele trei forme de transport transport pasiv (difuzie)?6. Ce reprezinta transportul activ primar, secundar si translocatia de grup?7. Ce tipuri principale de ATP – aze membranare cunoasteti?8. Care sunt caracteristicile functionale ale ATP - azei Na+/K+ - dependente si etapele de

functionare ale acestei enzime, etape necesare restabilirii gradientului de Na+ si K+ pe cele doua fete ale plasmalemei?

9. In ce constau fenomenele de macrotransfer membranar?10. In ce consta deosebirea dintre endocitoza si exocitoza?11. Prin ce aspecte difera pinocitoza de fagocitoza?12. Care sunt etapele procesului de endocitoza si de metabolizare intracelulara a particulelor

inglobate?13. Exista mai multe forme ale fenomenului de endocitoza? Daca da, enumerati - le si carac -

terizati - le.14. Care este conditia esentiala a fagocitarii complete a diferitelor bacterii de catre fagocite?15. Ce destinatie pot avea moleculele eliminate de celule prin exocitoza in spatial extracelular?

Teme pentru examinarea finala

1. Intelegerea notiunii de pemeabilitate membranara selectiva si a semificatiilor biologice a acestei functii celulare majore.

2. Clasificarea generala si definirea fenomenelor de transport a substantelor prin membrana plasmatica.

3. Caracterizarea proceselor de transport transmembranar pasiv a substantelor.4. Caracterizarea proceselor de transport transmembranar activ a substantelor.5. Definirea si caracterizarea fenomenelor de macrotransfer a particulelor prin membrana

plasmatica.

21

Page 22: Biologie Celulara

Unitatea de invatare 2

Matricea extracelulara

Matricea extracelulara reprezinta materialul complex care umple spatiul dintre celule Matricea este constituita dintr-o diversitate de molecule, imbinate si organizate in maniere

foarte diferite. Ea reprezinta o parte importanta a volumului tisular, cu precadere in tesuturile conjunctive. Matricea nu constituie doar o combinatie chimica complexa, care confera rezistenta fizica tesuturilor animale, ci joaca un rol important si in reglarea comportamentului celulelor care vin in contact prin intermediul ei.

Moleculele constitutive ale matricei extracelulare sunt secretate local de variate tipuri de celule apartinand diferitelor tesuturi (fibroblaste, condroblaste, osteoblaste, etc.).

Principalele clase de macromolecule secretate, care compun matricea extracelulara, sunt: polizaharidele glicozaminice (glicozaminoglicanii, GAG) si proteinele fibroase (cu rol structural sau de aderenta).

In timp ce polizaharidele, frecvent prezente sub forma de proteoglicani (agregate glico - proteice), formeaza “substanta fundamentala” a matricei, cu structura de hidro-gel (ce permite difuzia nutrientilor si a metabolitilor), proteinele inglobate in aceasta faza asigura rezistenta, elasticitatea, dar si adezivitatea celulelor la fibrele matricei.

2.1. Glicozaminoglicanii (GAG)

Glicozaminoglicanii reprezinta lanturi polizaharidice lungi, neramificate, compuse din unitati dizaharidice repetitive.

Unul dintre reziduurile glucidice ale motivului repetitiv este obligatoriu aminat (N-acetil-glucozamina sau N-acetil-galactozamina) si, in unele cazuri, sulfatat. A doua monozaharida este un acid uronic (D-glucuronic sau L-iduronic). Gruparile sulfat sau carboxil monozaharidice confera o puternica sarcina electrica negativa glicozaminoglicanilor.

Datorita rigiditatii lanturilor polizaharidice, GAG adopta conformatii spatiale foarte extinse, pliate la intimplare, cu volum foarte mare raportat la greutatea lor moleculara. Sarcina lor negativa atrage un numar important de cationi (in special Na+) care, fiind osmotic activi, absoarb mari cantitati de apa in matrice. Puternica hidratare creaza o turgescenta care creste rezistenta matricei la fortele de compresiune. Principale tipuri de glicozaminogicani matriciali, din compozitia diferitelor tesuturi conjunctive, sunt: acidul hialuronic (hialuronatul) (fig. 2.1.), acidul condroitinsulfuric (condroi -tinsulfatul) si acidul keratansulfuric (keratansulfatul).

Fig. 2.1. Compozitia chimica a acidului hialuronic (glicozaminoglican)

22

Page 23: Biologie Celulara

2.1.1. Acidul hialuronic

Este un glicozaminoglucan nesulfatat, prezent in cantitati variabile in toate tesuturile organismelor, fiind foarte abundent in embrionii tineri.

Se presupune ca acidul hialuronic reprezinta forma evolutiva cea mai precoce a glicozaminoglucanilor. Deoarece cantitatea de acid hialuronic creste odata cu intensificarea migratiei celulare si scade atunci cand migratia inceteaza, el fiind degradat de hialuronidaza, se crede ca acest compus este implicat activ in morfogeneza sau procesul de cicatrizare. In lichidul articular, acidul hialuronic intervine in lubrifiere.

2.1.2. Proteoglicanii

Cu exceptia acidului hialuronic, toti glicozaminoglicanii sunt legati covalent cu o proteina, formand proteoglicanii.

Acestia sunt alcatuiti dintr-un lant polipeptidic (nucleu proteic), sintetizat la nivelul REG si din catene polizaharidice laterale, liniare, adaugate la nivelul aparatului Golgi.

Legatura nucleului proteic cu lanturile laterale se face prin intermediul unei unitati trizaharidice fixate pe aminoacidul serina. Pe aceasta regiune “balama” se insera succesiv rezidurile zaharidice, sub actiunea glicoziltransferazelor specifice, lanturile crescand si fiind modificate continuu prin epimerizare sau sulfatare.

Spre deosebire de glicoproteine, proteoglicanii contin un procent de pana la 95% glucide, sub forma de cateva sute de lanturi GAG neramificate, cu o lungime medie de 80 resturi glucidice Heterogenitatea proteoglicanilor este practic nelimitata, depinzand de compozitia proteica, de talia moleculara, numarul catenelor de glicozaminoaminoglicani si compozitia acestora.

Asocierea moleculelor de GAG si a proteoglicanilor in matricea extracelulara nu este foarte bine inteleasa. S-a demonstrate insa ca proteoglicanul major al cartilajelor - keratansulfat-condroitinsulfat - se asambleaza in spatiul extracelular cu o singura catena de acid hialuronic, dand nastere unui complex molecular gigantic, cu o greutate moleculara de circa 100 milioane Da (fig.2.2.)

Micrografiile elctronice realizate pe substanta fundamentala a unor tesuturi au aratat ca proteoglicanii apar ca structuri filamentoase, care incercuiesc fibrilele de colagen la intervale regulate (~65 nm).

Unii proteoglicani nu sunt secretati in matricea extracelulara, ci sunt componente intrinseci ale membranelor plasmatice, cu nucleul proteic ancorat in dublul strat lipidic. Acesti proteoglucani membranari contin in mod obisnuit un numar mic de lanturi GAG.

Fig. 2.2. Complex glicozaminoglicanic – proteoglicanic de dimensiuni gigantice din compozitia matricei extracelulare (A – microfotografie electronica; B – reprezentare schematica)

23

Page 24: Biologie Celulara

2.2. Proteinele matriciale

2.2.1. Colagenul

Colagenul face parte dintr-o familie de proteine fibroase intilnite la toate animalele pluricelulare si care reprezinta ~25% din proteina lor totala.

Aspectul caracteristic al moleculelor de colagen este structura lor helicoidala tricatenara rigida. Cele trei catene polipeptidice ale colagenului, (catene alfa), cu o lungime medie de 100 aminoacizi, sunt rasucite una in jurul celeilalte, formand molecula de colagen, cu o lungime de 300 nm si un diametru de 1,5 nm. Moleculele de colagen sunt foarte bogate in prolina si glicina. Prolina stabilizeaza configuratia elicoidala, orientata spre stanga, a fiecarei catene alfa, iar glicina , dispusa regulat odata la trei resturi de aminoacizi, permite inrularea stransa a celor trei catene alfa-elicoidale in superelicea colagenului (fig. 2.3.).

Fig. 2.3 Structura catenei (A) si a moleculei (B) de colagen

Din totalitatea celor aproximativ 20 de lanturi de colagen diferite, identificate pana in prezent, cele mai bine caracterizate sunt tipurile: I, II si III, care reprezinta tipurile fibrilare de colagen si tipul IV, care nu formeaza fibrile. Se crede ca tipurile fibrilare de colagen au aparut prin duplicari repetate ale secventelor de ADN care codifica succesiunea aminoacizilor in catenele alfa. Colagenul de tip IV a avut probabil o evolutie diferita.

Lanturile polipeptidice individuale ale colagenului sunt sintetizate la nivelul ribozomilor fixati pe REG, sub forma unor precursori numiti procatene alfa.

Acesti precursori poseda doua catene scurte de aminoacizi la extremitatile amino- si carboxi-terminale (propeptide). In lumenul REG, rezidurile de prolina si lizina sunt hidroxilate sub forma de hidroxiprolina si hidroxilizina. Procesul de hidroxilare permite formarea de legaturi de hidrogen intercatenare, care stabilizeaza elicea tricatenara, in curs de formare a colagenului. Fiecare procaena alfa se asociaza ulterior prin aceste legaturi de H sub forma de triplu helix, alcatuind molecula de procolagen. Dupa secretia lor, prin intermediul aparatului Golgi, la exteriorul celulei, lanturile de procolagen se transforma in molecula matura de colagen, prin eliminarea propeptidelor terminale, sub actiunea unor proteaze.

24

Page 25: Biologie Celulara

Prezenta propeptidelor la nivelul procatenelor alfa, ghideaza formarea intracelulara a moleculelor de colagen si, totodata, impiedica formarea fibrilelor de colagen in citoplasma (care, prin dimensiunea lor, ar avea efecte distructive asupra celulei secretoare).

In spatiul extracelular, moleculele de colagen se asociaza, formand fibrile cu diametru de 10-300 nm si lungimi foarte mari. Aceste fibrile prezinta striatii transversale cu o perioada de 67 nm, care reflecta decalarea moleculelor adiacente de colagen. Rezistenta fibrilelor de colagen este considerabil marita prin formarea legaturilor transversale covalente, atat in interiorul moleculei, cat si intre moleculele constitutive (fig. 2.4.).

Fig. 2.4. Etape ale sintezei, asamblarii, secretiei si asocierii moleculelor de colagen in fibrele de colagen

Fibrilele prezinta modalitati variate de organizare, in diferite tesuturi: reticulare (tegumentul mamiferelor), fascicule paralele (tendoane), straturi suprapus cu directie perpendiculara (oase si cornee) etc.

Celulele secretoare de colagen ale tesutului conjunctiv pot determina modul de organizare spatiala al colagenului in matrice. De exemplu, fibroblastele se deplaseaza lent pe substratul de colagen secretat, comprimand fibrilele si orientandu-le sub forma de cabluri, favorizand astfel rolul lor mecanic in economia tesutului respectiv.

Moleculele de colagen de tip IV difera de formele fibrilare prin faptul ca secventa regulata de aminoacizi din acestea din urma este intrerupta in anumite regiuni, dezorganizandu-se astfel local structura helicoidala tricatenara. In al doilea rand, moleculele de procolagen de tip IV nu sunt clivate dupa secretie, ci isi conserva regiunile propeptidice, ceea ce le permite asocierea in retele multistratificate, sub forma de foite suprapuse.

2.2.2. Elastina

Elastina reprezinta componentul principal al fibrelor elastice prezente in matricea extracelulara. Ea confera, pe langa rezistenta la tensiune si elasticitatea, esentiala pentru unele tesuturi (cum ar fi pielea, vasele sanguine sau tesutul pulmonar).

25

Page 26: Biologie Celulara

Elastina este o proteina neglicozilata, continand circa 830 radicali de aminoacizi si fiind foarte bogata in prolina si glicina. In afara de elastina, fibrele elastice sunt compuse si dintr-o glicoproteina de forma microfibrilara.

Datorita caracterului hidrofob accentuat, moleculele de elastina formeaza filamente si retele unite prin legaturi transversale covalente in spatiul extracelular.

Fibrele de elastina se pliaza intr-un mod aleatoriu, iar prin intermediul numeroaselor punti intercatenare formate, se pot extinde si plia foarte usor, sub actiunea unor forte mecanice.Fibrele elastice sunt de cel putin 5 ori mai elastice decat un elastic cu aceeasi sectiune (fig.2.5.). Interactiunea lor cu fibrele inextensibile de colagen limiteaza insa amploarea intinderii, prevenind ruperea tesutului.

Fig. 2.5. Structura si proprietatile retelei de elastina (elasticitatea)

2.2.3. Fibronectina

Reprezinta o glicoproteina de aderenta, bine caracterizata, care contribuie la legatura celulelor cu alte molecule matriceale.

Fibronectina este un dimer compus din doua subunitati identice (formate din cate 2500 reziduri de aminoacizi), care sunt legate printr-o pereche de punti disulfidice la extremitatile lor carboxilate. Fiecare subunitate prezinta o serie de domenii globulare, separate prin segmente fibrilare flexibile. Fiecare domeniu globular are un rol diferit, la randul sau, functionand ca situs de atasare pentru diverse alte molecule (colagen, heparina, receptorii specifici de la suprafata diferitelor tipuri de celule, etc.) (fig.2.6.).

Domeniul de legare al fibronectinei la celule prezinta o secventa tripeptidica specifica: arginina – glicina – asparagina (R-G-D). Polipeptidele artificiale care prezinta aceasta succesiune de aminoacizi sunt inhibitori competitivi pentru situsurile celulare de legare a fibronectinei. Secventa R-G-D nu este specifica doar pentru fibronectina, ci este comuna pentru o larga varietate de proteine de aderenta extracelulara.

26

Page 27: Biologie Celulara

Fig. 2.6. Structura fibronectinei (A – schema; B – microfotografiielectronice)

Fibronectina exista sub trei forme: fibronectina plasmatica (o forma solubila dimerica), intalnita in sange si lichidele

interstitiale, ce contribuie la coagulare, si cicatrizare; fibronectina de suprafata celulara, atasata tranzitoriu la fata externa a membranei; fibronectina matriceala, insolubila, care asigura atasarea celulelor la matrice.

Fibronectina este importanta nu numai in medierea adezivitatii celulare, ci intervine si in migrarea celulara. De exemplu, la embrionii nevertebratelor si ai vertebratelor s-au gasit mari cantitati de fibronectina, dispuse de-a lungul traseelor urmate de celulele mezodermice ce migreaza, in timpul gastrulatiei. Fibronectina favorizeaza deplasarea celulara, prin facilitarea atasarii celulelor la componentele matricei.

2.2.4. Laminina

Este un complex glicoproteic de mari dimensiuni (~850.000 Da), cu rol de aderenta, compus din trei catene polipeptidice dispuse cruciform, unite prin punti disulfidice. Ca si fibronectina, prezinta un numar de domenii functionale de legare la colagenul de tip IV, la heparan-sulfat si la unul sau mai multi receptori proteici celulari (fig. 2.7.).

Fig. 2.7. Structura lamininei (A – schema; B – microfotografii electronice)2.3. Lamina (lamela) bazala

27

Page 28: Biologie Celulara

Laminina, fibronectina si colagenul de tip IV sunt componentele principale ale laminelor (lamelor) bazale. Acestea sunt regiuni specializate ale matricei extracelulare, situate la baza tuturor structurilor epiteliale. Forme specializate ale lamelor bazale inconjoara, de asemenea, fibrele musculare individuale, celulele nevroglice Schwann sau separa straturile epiteliale de la nivelul barierei alveolare sau ale glomerulului renal (fig.2.8.).

Fig. 2.8. Varietati ale laminei bazale

Majoritatea lamelelor bazale sunt compuse din doua straturi distincte: un strat electrono-transparent (lamina lucida sau rara), adiacent la membrana plasmatica

bazala; un strat electrono-dens (lamina densa) situat sub primul. In unele cazuri, un al treilea strat, continand fibre de colagen (lamina reticularis), uneste

lamela bazala cu tesutul conjunctiv subiacent. Din aceasta cauza, unii citologi utilizeaza termenul de membrana bazala pentru a descrie toate cele trei componente. Principalul constituent la laminei dense este colagenul, pe cand laminina este prezenta in

principal in stratul superficial, fixand celulele la lamela bazala; fibronectina este localizata, preponderent, in in stratul reticular, contribuind la legarea moleculelor matriceale cu celulele.

Lamelele bazale prezinta o polivalenta functionala impresionanta. In glomerulul renal, lamina bazala, avand o grosime neobisnuita, serveste de filtru

molecular, controland trecerea moleculelor din sange in urina, in cursul procesului de filtrare. Lamela bazala functioneaza si ca bariera celulara selectiva. De exemplu, lamela situata

sub celulele epiteliale impiedica fibroblastele din tesutul conjunctiv subiacent sa intre in contact cu epiteliile.

In sfarsit, lamela bazala joaca un rol fundamental in regenerarea celulara dupa leziuni. Atunci cand tesuturi cum ar fi cel muscular, nervos sau epitelial sunt lezate, lamela bazala persista si constituie o sarpanta structurala ce ghideaza migrarea celulelor regenerative si reconstituirea arhitecturii initiale a tesutului.

2.4. Receptori membranari pentru componentele matriciale

Atasarea celulelor la matricea extracelulara se datoreaza mai multor macromolecule cu rol de receptori, in special de natura glicoproteica, localizate in membrana celulara,. Receptorii matriceali ai celulelor difera de receptorii suprafetei celulare pentru hormoni, de exemplu, prin afinitatea lor mai slaba pentru ligandul caracteristic si prin concentratia ridicata la nivelul membranei. Receptorii matriceali, ca si cei intercelulari, functioneaza intr - o maniera cooperanta.

Dintre receptorii matriceali, receptorul de fibronectina de pe fibroblastele mamiferelor a fost cel mai bine caracterizat.

Acest receptor este format dintr-un complex necovalent de doua lanturi polipeptidice (alfa si beta) cu greutate moleculara mare. El realizeaza legatura transmembranara intre citoscheletul intracelular de actina si fibronectina din matrice.

Au fost descrisi si alti numerosi receptori similari (inclusiv pentru laminina si colagen), toti fiind inruditi cu receptorul fibroblastic pentru fibronectina, motiv pentru care ei au fost incadrati in

28

Page 29: Biologie Celulara

familia integrinelor. Membrii acestei familii prezinta, in majoritatea cazurilor, situsuri de recunoastere pentru secventa R-G-D a componentelor proteice matriciale (fig. 2.9.) .

Nu toti receptorii matriciali apartin insa familiei integrinelor. Unele celule utilizeaza, de exemplu, proteoglicani membranari pentru fixarea la matrice sau la alte celule.

Fig. 2.9. Schema receptorului pentru fibronectina (receptor din familia integrinelor)

Moleculele matricei extracelulare exercita o actiune considerabila asupra comportamen -tului celulelor din cultura, dar si asupra formei, polaritatii, diferentierii si metabolismului acestora.

De exemplu, celulele epiteliale ale corneei produc foarte putin colagen atunci cand sunt cultivate pe suprafete sintetice; atunci cand sunt insa crescute pe un pat de proteine fibrilare, ele secreta cantitati importante de colagen.

Suprafata bazala, ca si citoscheletul celulelor epiteliale cultivate direct, pe placi de plastic sau de sticla, sunt neregulate. Cand aceleasi celule sunt cultivate pe macromoleculele caracteristice ale matricei, suprafetele bazale devin regulate, iar citoscheletul devine foarte ordonat, similar cu cel din tesuturile intacte.

Interactiunea dintre matricea extracelulara si citoschelet este reciproca: filamentele intracelulare de actina pot influenta, la randul lor, aranjamentul moleculelor de fibronectina secretate. Daca celulele sunt tratate cu citohalazina (substanta care dezorganizeaza filamentele de actina) fibrilele de fibronectina se disociaza de la suprafata celulara.

Conexiunea dintre elementele fibrilare din mediul intra - si extracelular se realizeaza, indiscutabil, prin intermediul glicoproteinelor transmembranare. Din moment ce citoscheletul poate sa ordoneze macromoleculele secretate de celule, iar moleculele matriceale pot, la randul lor, sa organizeze citoscheletul celular, matricea extracelulara este capabila, in principiu, sa propage ordinul de organizare de la o celula la alta.

Matricea indeplineste si un rol central in alinierea si orientarea celulelor in tesuturile si organele in curs de dezvoltare.

29

Page 30: Biologie Celulara

Intrebari de verificare si evaluare a cunostintelor

1. Care sunt componentele moleculare esentiale ale matricei extracelulare?2. Ce reprezinta, care este compozitia chimica si ce exemple de glicozaminoglicani

cunoasteti?3. Care este diferenta dintre glicozaminoglicani si proteoglicani?4. In ce consta structura spatiala, tridimensionala si compozitia chimica a moleculelor de

colagen?5. Care sunt etapele sintezei, secretiei si asamblarii extraceluare a moleculelor de colagen in

fibrele de colagen?6. Ce tipuri principale de colagen exista si care sunt particularitatile acestora?7. Cum se poate explica, din punct de vedere ultrastructural, rolul fibronectinei in atasarea

celulelor la componentele matriciale?8. Care este relatia dintre structura retelei de elastina si rolul acesteia in matricea

extracelulara? 9. Ce structura spatiala prezinta laminina?10. Care sunt componentele ultrastructurale ale laminei bazale? Ce varietati si functii ale

acestei formatiuni matriciale se descriu?11. Ce sunt receptorii receptorii din familia integrinelor si ce caracteristici prezinta?12. Cum poate fi exemplificata interactiunea reciproca dintre componentele proteice matriciale

si elementele de citoschelet?

Teme pentru examinarea finala

1. Enumerarea principalelor componente moleculare ale matricei citoplasmatice.2. Precizarea compozitiei chimice, ultrastructurii si a rolurilor glicozaminoglicanilor si

proteoglicanilor matriciali.3. Descrierea structurii, biogenezei, tipurilor si a functiilor fibrelor de colagen.4. Precizarea caracteristicilor ultrastructurale si functionale ale altor proteine matriciale

(elastina, fibronectina, laminina).5. Lamina bazala: definitie, varietati, ultrastructura, roluri.6. Caracterizarea ultrastructurala a receptorilor celulari pentru componentele matriciale

(integrinele).7. Relatia dintre componentele fibrilare (proteice) matriciale si elementele de citoschelet.

30

Page 31: Biologie Celulara

Unitatea de invatare 3

Recunoasterea si adezivitatea celulara

3.1. Recunoasterea celulara

Exista doua mecanisme fundamentale de recunoastere si asociere a celulelor, in vederea asocierii lor tesuturi:

mecanismul cel mai simplu consta in asocierea reciproca, sau elementele matricei extracelulare, a celulelor provenite din diviziunile repetate ale unei celule”susa”. Celulele isi dezvolta sisteme de aderenta, a caror distributie precisa determina forma ansamblului celular; celulele nu pot parasi tesutul in formare. In general, acest mecanism de histogeneza caracterizeaza tesuturile epiteliale.

al doilea mecanism este mai complex si implica migrarea celulara: o populatie celulara invadeaza o alta populatie , iar celulele cu origini diferite interactioneaza, formand un tesut mixt (un organ).

Un asemenea mecanism necesita orientarea celulelor migratoare spre destinatia lor finala, fie prin intermediul unor semnale chimice (chimio - tactism), fie cu ajutorul unor fibrile proteice de orientare (de exemplu fibronectina), cu care celulele interactioneaza (ghidare de contact). La em-brionii vertebratelor, de exemplu, celulele crestei neurale se desprind de la nivelul tubului neural si migreaza, apoi se diferentiaza si se asociaza cu alte celule, formand sistemul nervos periferic.

Fie ca se asambleaza dupa diviziune sau dupa migrare, celulele trebuie sa se “recunoasca” specific, pentru a putea sa se asocieze in tesuturi, sau pentru a se putea separa de celulele diferite.

Intelegerea modalitatilor de recunoastere si asociere celulara s-a realizat pe modele experimentale diferite. Unul dintre cele mai sugestive il constituie studiul comportamentului social al unor microorganisme ce pot trece, in anumite conditii, de la un mod de viata unicelular, la organizarea pluricelulara.

Astfel, amoeba Dictyostelium discoideum este un organism unicelular care traieste pe solul padurilor, hranindu-se cu bacterii si resturi organice si care, in conditii normale, se inmulteste prin diviziuni directe, o data la 2-3 ore.

In conditiile in care rezervele nutritive se epuizeaza, amoebele inceteaza sa se mai divida si se grupeaza in ansambluri pluricelulare minuscule (1-2 mm ), numite “limacsi”. Fiecare “limax” este compus din circa 1000 de celule si prezinta un comportament multivalent, pe care amoebele individuale nu-l poseda. Astfel, acest agregat este foarte sensibil la lumina si caldura, deplasandu-se activ in directia unui mediu cu conditii mai favorabile. In cursul migrarii, celulele incep sa se diferentieze si sa se grupeze in regiuni care prefigureaza partile viitorului corp vegetativ.

Cand “limacsii” ajung in locuri propice se metamorfozeaza, dezvoltandu-si, pe discul fixat de substrat, un peduncul si un sac sporal. In conditii favorabile, sporii se elibereaza si genereaza noi amoebe, in timp ce celelalte parti ale corpului vegetativ degenereaza si mor (Fig. 3.1.).

Asamblarea celulelor pentru a forma “limaxul” se realizeaza prin chimiotaxie, ca urmare a eliberarii in mediu de catre unii indivizi, a unui semnal chimic, reprezentat de cAMP (AMP ciclic).

Aceste celule devin centre de agregare, spre ele venind, in valuri succesive, amoebele care au fixat semnalul chimic pe receptorii lor de membrana, semnal ce determina formarea de pseudopode. Amoebele receptoare elibereaza, la randul lor, cAMP, ca raspus la semnalul receptionat, functionand ca relee, ce amplifica semnalul initial si antreneaza noi si noi valuri de migratie celulara, circulara sau spiralata. In felul acesta, intensitatea semnalului de agregare se mentine constanta, pe arii largi.

Un astfel de semnal se deosebeste de semnalul emis, de exemplu, de amoeba Dictyostelium minutum, la care intensitatea acestuia slabeste rapid. In acest caz, “limacsii” formati au dimensiuni foarte mici, fiind alcatuiti dintr-un numar redus de celule.

Asocierea celulelor amoeboidiene in ansamblul reprezentat de “limax” presupune existenta unor molecule de aderenta, sintetizate tot ca raspus la stimularea cu cAMP.

31

Page 32: Biologie Celulara

Astfel, discoidina - 1, este o proteina din grupul lectinelor, cu functie de ghidare si contact, care se leaga atat la suprafata celulelor, cat si la substratul de migrare.

S-au identificat si doua glicoproteine transmembranare care contribuie la aderenta si soliditatea ansamblului celular: situsul A de contact, Ca+2 - dependent, sintetizat in primele 8 ore de carenta nutritiva si situsul B de contact, produs in perioada imediat urmatoare si care este Ca+2 -independent.

Fig. 3.1. Ciclul de viata al amoebei Dictyostelium discoideum (schema si microfotografii)

Spre deosebire de exemplul amintit, in care agregarea celulelor este usor observabila in cultura, la animalele pluricelulare mecanismele de recunoastere si asociere celulara sunt mult mai greu de studiat.

In acest caz se procedeaza la disocierea celulelor din tesuturi (in special din tesuturile embrionare) si la studiul reasamblarii acestora in vitro.

Disocierea se realizeaza tratand celulele cu concentratii slabe de enzime proteolitice (frecvent tripsina), in combinatie cu agenti chelanti ai Ca+2 (EDTA). Celulele separate, cultivate, se reasambleaza in vitro in structuri similare cu tesutul de origine.

Daca in aceeasi cultura se introduc celule embrionare cu origini diferite (de exemplu, celule hepatice si retiniene), initial se formeaza agregate mixte, nediferentiate. In timp, celulele sunt triate dupa originea lor si se reconstituie fragmentele tisulare initiale.

Aceste experiente demonstraza ca asocierea celulelor pentru a forma tesuturi nu este un simplu proces morfogenetic, ci presupune dezvoltarea unui sistem de afinitati reciproce intre celule, precum si intre celule si matricea extracelulara.

Constatari interesante asupra sistemelor de recunoastere si aderenta celulare au fost obtinute prin cultivarea cheratinocitelor disociate (celule se apartin tesutului epitelial). In vivo, cheratinocitele din stratul bazal al epidermei sunt stratificate: cele din stratul bazal, relativ nediferentiate, se divid constant, generand cheratinocitele din straturile superioare, lipsite de activitate mitotica si care prezinta o diferentiere pronuntata.

Daca, in mediul de cultura, concentratia Ca+2 este foarte mica, sistemul de aderente Ca+2 - dependente nu functioneaza, iar celulele vor creste intr-un monostrat, format din celule proliferative si celule in curs de diferentiere. Daca concentratia Ca+2 se normalizeaza, monostratul se transforma intr-un agregat pluristratificat, cu o dispozitie a celulelor identica celei din pielea normala.

32

Page 33: Biologie Celulara

Experientele cu anticorpi monovalenti au permis identificarea sistemelor moleculare care intervin in aderenta celulara.

Astfel, molecula de aderenta a celuleor nervoase (N-CAM) este o glicoproteina transmembranara formata din 1000 aminoacizi, exprimata la suprafata neuronilor si a celulelor gliale. Injectarea anticorpilor anti-N-CAM in ochiul embrionului de gaina inhiba dezvoltarea normala a retinei si formarea axonilor, dovedind ca N-CAM joaca un rol important in aderenta celulelor nervoase si dezvoltarea sistemului nervos. Celulele crestei neurale, care poseda un numar mare de N-CAM pe suprafata lor, pierd aceste molecule in cursul migratiei, dar le reexprima atunci cand interactioneaza pentru a forma ganglionii nervosi.

Regiunea extracelulara a N-CAM, identica la majoritatea tipurilor acestor glicoproteine, este pliata in 5 domenii, sub forma de bucle, fiind omologa cu anumite domenii ale imunoglobulinelor. De aceea, N-CAM este considerata a fi un membru superfamiliei anticorpilor (fig. 3.2.).

Moleculele N-CAM intervin in aderenta celulara Ca+2 - dependenta.

Fig. 3.2. Structura diferitilor receptori de aderenta de tip N-CAM (superfamilia anticorpilor)

O alta familie de molecule de aderenta este cea a caderinelor, care mediaza contactele celulare Ca+2 - dependente. Se cunosc pana in prezent caderinele de tip E, N si P.

Caderina E este cea mai bine caracterizata. Regiunea sa extracelulara este pliata in trei domenii, aparent diferite de domeniile imunoglobulinelor. In celulele epiteliale mature, caderina E se concentreaza in special la nivelul centurilor de aderenta, conectand scheletul de actina al acestor celule si conferind o anume rezistenta mecanica a tesutului.

Aparitia si disparitia unui tip de caderina este legata de etapele morfogenetice embrionare. De exemplu, ectodermul care genereaza tubul neural in formare pierde caderina E si exprima doar caderina N.

Un tip celular unic utilizeaza mai multe mecanisme moleculare de aderenta cu alte celule sau cu matricea extracelulara.

Spre deosebire de receptorii pentru semnalele chimice, solubile, care se leaga de ligandul specific cu o mare afinitate, receptorii pentru moleculele de la suprafata celulara sau pentru matrice au, in general, o afinitate slaba.

Caracteristica pentru acesti receptori este forta de legatura, care rezulta din asocierea simultana a lor, insumata cu cea a multiplilor liganzi ai celulelor adiacente sau ai matricei extracelulare. Combinatia specifica a moleculelor intercelulare de aderenta, ca si concentratia si

33

Page 34: Biologie Celulara

distributia lor la suprafata oricarui cuplu de celule determina masura in care aceste celule se vor recunoaste si vor reactiona.

Aceste combinatii de receptori constituie un “cod morfogenetic”, care determina modul de organizare a celulelor in tesuturi. Pe baza acestui cod, celulele, chiar si cele strans inrudite, sunt capabile sa detecteze cele mai mici diferente de aderenta si sa trieze celulele cu care vor stabili contactele cele mai solide, dintre numeroasele variante posibile (fig. 3.3.).

Observatiile realizate pe celulele embrionare cultivate, care se ataseaza reciproc pentru a forma tesuturi, sau pe tesuturile adulte, in curs de regenerare, au aratat ca aceste contacte nu implica formarea de jonctiuni celulare organizate. Contactele intercelulare ce se realizeaza prin glicoproteinele transmembranare de legatura permit locomotia celulara, dar nu sunt atat de puternice pentru a imobiliza celulele.

Moleculele de aderenta nonjunctionala initiaza doar asocierea celulelor in tesuturi. Aceasta asociere este apoi stabilizata prin asamblarea jonctiunilor intercelulare. Multe proteine, cum ar fi de exemplu caderina E, sunt implicate in initierea aderentei celulare, dar pot deveni ulterior parti intrinseci ale jonctiunilor intercelulare.

Fig 3.3. Tipuri de receptori de aderenta intercelulara si modalitati de asociere a acestora

3.2. Adezivitatea celulara

In organismele pluricelulare majoritatea celulelor sunt organizate in ansambluri cooperative - tesuturi, care, la randul, lor se structureaza in unitati functionale - organe.

In cadrul tesuturilor, celulele sunt asociate si interactioneaza fie prin intermediul unei retele proteice din constitutia matricei extracelulare, fie sunt unite prin contacte directe - jonctiuni intercelulare, la nivelul unor regiuni membranare specializate.

In functie de ponderea matricei si a jonctiunilor intercelulare, se disting doua categorii majore de tesuturi animale:

34

Page 35: Biologie Celulara

in tesuturile conjunctive matricea extracelulara este preponderenta, celulele fiind dispersate in aceasta masa, formata in principal din polimeri fibrilari de colagen. Celulele sunt atasate la componentele matricei, care suporta cea mai mare parte a fortelor mecanice care se exercita asupra tesutului.

in tesuturile epiteliale, celulele sunt organizate in foite celulare dispuse la suprafata corpului sau la interiorul organelor cavitare, ce functioneaza ca bariere de permeabilitate pentru apa si ionii din diferitele compartimente ale organismului. Celulele sunt strans atasate reciproc prin dispozitive speciale de adezivitate, care suporta cea mai mare parte din actiunile mecanice exercitate asupra tesutului. Matricea este redusa cantitativ in comparatie cu volumul ocupat de celule.

Jonctiunile celulare, atat cele dintre celule, cat si cele dintre celule si matricea extracelulara, pot fi clasificate in trei grupe principale, in functie de dispozitivele de adezivitate

participante: jonctiuni stranse (impermeabile sau ocluzive), jonctiuni de ancorare si jonctiuni comunicante (deschise, gap-junctions)

3.2.1 Jonctiunile stranse (impermeabile sau ocluzive)

Sunt prezente la nivelul foitelor epiteliale. Spre exemplu, epiteliul care tapeteaza vilozitatile intestinale se comporta ca o bariera dubla: retine cea mai mare parte a continutului ionic si molecular in interiorul lumenului intestinal si impiedica, totodata, reabsorbtia substantelor din sange in interiorul intestinului.

In acelasi timp, celulele epiteliale intestinale realizeaza transportul transcelular (transepitelial) al nutrientilor, din intestinul subtire in sangele capilar al vilozitatilor, prin intermediul pompelor active din membrana apicala a acestor celule si a difuziei facilitate, la nivelul membranei bazolaterale.

Realizarea acestui transport unidirectional de metaboliti se realizeaza datorita jonctiunile stranse. Aceste jonctiuni, a caror stabilitate este calciu-dependenta, sudeaza celulele epiteliale la nivelul regiunii superioare a membranelor lor laterale.

In microscopia electronica, prin criofracturare, zona jonctiunilor impermeabile apare formata dintr-o retea de lanturi proteice anastomozate, compuse din subunitati proteice globulare, ce prezinta o dispozitie complementara in membranele celor doua celule adiacente (fig. 3.4.).

Fig. 3.4. Jonctiuni stranse (sus – celule epiteliale intestinale solidarizate prin jonctiuni stranse; jos – ultrastructura jonctiunilor stranse)

35

Page 36: Biologie Celulara

Desi in principiu impermeabile, jonctiunile stranse confera o permeabilitate diferentiata di -feritelor epitelii. De exemplu, jonctiunile stanse din epiteliul intestinului subtire sunt de circa 10.000 de ori mai permeabile pentru ioni decat cele din epiteliul vezical.

3.2.2. Jonctiunile de ancorare

Aceste jonctiuni asociaza elementele de citoschelet ale celulelor care se afla in contact, sau aceste elemente cu matricea extracelulara, permitand celulelor sa se comporte ca unitati structurale rezistente la actiunea fortelor dezorganizatoare. Toate jonctiunile de ancorare sunt formate din doua unitati ultrastructurale proteice: proteine intracelulare, care unesc complexul jonctional cu elementele specifice ale citoscheletului, si glicoproteine transmembranare, a caror domenii intracelulare se leaga la proteinele intracelulare, iar domeniile extracelulare interactioneaza fie cu matricea extracelulara, fie cu domeniile extracelulare alte glicoproteinelor din celulele vecine aderente.

Exista doua forme de jonctiuni de ancorare, diferite din punct de vedere ultrastructural si functional: jonctiunile aderente si jonctiunile prin desmozomi si hemidesmozomi.

Jonctiunile aderente

Desi in tesuturile neepiteliale aceste jonctiuni exista in forme diferite, in foitele epiteliale ele formeaza frecvent centuri de aderenta continua (zonula aderens). Aceste centuri sunt juxtapuse in celulele epiteliale adiacente, fiind formate din filamente de actina paralele, care formeaza o centura situata sub jonctiunile impermeabile.

Glicoproteinele transmembranare care realizeaza ancorarea celulelor adiacente sunt Ca+2 -dependente si fac parte din familia de proteine de aderenta caderine (fig.3.5.).

Fig. 3.5. Jonctiuni ancorare: centuri de aderenta continua (sus – celule epiteliale solidarizate prin centuri de aderenta; jos – ultrastructura centurilor de aderenta)

36

Page 37: Biologie Celulara

Centurile de actina din celulele consolidate prin aceste jonctiuni confera o rezistenta mecanica deosebita epiteliului, permitand o serie de transformari morfogenetice, cum ar fi, de

exemplu, inrularea ectodermului embrionar in vederea formarii tubului neuronal.Jonctiunile de ancorare dintre filamentele de actina celulare si matricea extracitoplasmatica

sunt numite puncte de contact focal sau placi de aderenta. In placile de aderenta glicoproteinele transmembranare de legatura cu matricea sunt

receptori care apartin familiei integrinelor.

Desmozomii si hemidesmozomii

Acest tip de jonctiuni reprezinta puncte de contact intercelular in forma de “butoni de presiune”, care asambleaza celulele dintr-o larga varietate de tesuturi.

Ei servesc ca punct de ancorare pentru o larga varietate de filamente intermediare citoplasmatice, care constituie o sarpanta structurala pentru celulele aderente: filamentele de cheratina din celulele epiteliale, filamentele de desmina din celulele musculare cardiace, filamentele de vimentina din celulele conjunctive, etc.

Un desmozom este compus din doua elemente ultrastructurale: o placa citoplasmatica densa, alcatuita dintr-un complex de proteine intracelulare (in special desmoplachine) pe care se ataseaza elementele de citoschelet si glicoproteine transmembranare (desmogleine), care se ataseaza cu o extremitate pe placa si interactioneaza, prin domeniile extracelulare, cu alte proteine transmembranare, din celulelor vecine (fig. 3.6.).

Fig. 3.6. Jonctiuni de aderenta intrercelulara: desmozomii (sus – ultrastructura unui desmozom; jos – celule epiteliale solidarizate prin desmozomi)

Hemidesmozomii, desi morfologic similari, difera chimic si functional de desmozomi. Ei

ataseaza suprafata bazala a celulelor epiteliale la lamina bazala conjunctiva pe care este situat epiteliul, iar filamentele intermediare celulare se ataseaza la placile celulare terminal si nu lateral, cum este in cazul desmozomilor.

Desmozomii si hemidesmozomii sunt dispozitive de adezivitate care repartizeaza fortele de tensiune sau de dispersie in ansamblul epiteliului si a tesutului conjunctiv subadiacent, conferind astfel o rezistenta mecanica crescuta acestor formatiuni.

37

Page 38: Biologie Celulara

3.2.3. Jonctiunile comunicante (deschise, gap-junctions)

Sunt unele dintre jonctiunile celulare cele mai raspandite, fiind prezente in majoritatea tesuturilor animalelor vertebrate.

Aceste jonctiuni sunt numite comunicante deoarece permit schimburile ionice si de molecule hidrosolubile dintre celulele adiacente, realizand in felul acesta un cuplaj metabolic si electric celular.

Coroborarea studiilor de electrochimie, microscopie fluorescenta si autoradiografie, cu observatiile electronomicroscopice, a permis caracterizarea ultrustructurala a jonctiunilor comunicante: la nivelul regiunilor de contact intercelular, membranele celulare prezinta proteine transmembranare, reprezentate de 6 subunitati proteice identice (conexoni). Intre conexoni se formeaza canale cu diametrul de 1,5 nm (fig. 3.7.).

Conexonii din doua membrane adiacente contacteaza si formeaza un canal continuu, care uneste citoplasmele celor doua celule.

In jonctiunile comunicante se pot inscrie si sinapsele chimice si plasmodesmele (prezente numai la celulele vegetale).

Fig. 3.7. Jonctiuni comunicante intercelulare (jonctiuni de tip “gap”)

38

Page 39: Biologie Celulara

Intrebari de verificare si evaluare a cunostintelor

1. Care sunt cele doua mecanisme fundamentale de recunoastere si asociere a celulelor in tesuturi?

2. De ce este considerate amoeba Dictyostelium discoideum un organism model in studiul mecanismelor de recunoastere si adezivitate celulara?

3. Care sunt etapele ciclului de viata al amoebei Dictyostelium discoideum si ce molecule de aderenta celulara au fost identificate la acest microorganism?.

4. Care sunt principalele sisteme moleculare ce asigura adezivitatea celulara la organismele pluricelulare? Care sunt caracteristicile ultrastructurale si functionale ale acestora?

5. In afara de stabilirea jonctiunile intercelulare specifice, ce alte conditii trebuie satisfacute pentru a asigura formarea unui agregat celular stabil (tesut)?

6. Prin ce difera tesuturile epiteliale fata de cele conjunctive in ceea ce priveste ponderea anumitor tipuri de jonctiuni?

7. Ce rol, localizare si organizare ultrastructurala prezinta jonctiunile stranse (impermeabile)? 8. Care sunt cele doua subunitati esentiale ale oricarei jonctiuni de ancorare?9. Ce deosebiri de ordin ultrastructural si functional exista intre jonctiunile de aderenta si cele

realizate prin desmozomi si hemidesmozomi?10. Pe ce baze ultrastructurale se poate argumenta rolul jonctiunilor de tip gap in asigurarea

schimburilor de molecule dintre celule?

Teme pentru examinarea finala

1. Precizarea bazelor moleculare ale recunoasterii si adezivitatii celulare la organismele unicelulare.

2. Descrierea ultrastructural – functionala a principalelor molecule de adezivitate prezente in membrana celulele organismelor pluricelulare.

3. Definirea si enumerarea tipurilor de jonctiuni (intercelulare si cu matricea citoplasmatica).4. Cunosterea particularitatilor ultrastructural – functionale si a deosebirilor dintre diferitele

clase de jonctiuni celulare.

39

Page 40: Biologie Celulara

Unitatea de invatare 4

Comunicarea (semnalizarea) celulara

Comunicarea dintre celulele unui organism pluricelular este esentiala pentru diferentierea si organizarea acestora in tesuturi, cat si pentru controlul cresterii, a diviziunii, si a functiilor celulare.

Celulele animale prezinta trei modalitati principale de comunicare: secretia de substante chimice care sunt transmise la distanta altor celule, sub forma de

semnale chimice; prin molecule atasate membranei plasmatice, care influenteaza activitatea altor celule

aflate in contacat fizic direct cu celulele producatoare de semnale; prin intermediul jonctiunilor de tip “gap” (fig. 4.1.).

Fig. 4.1. Principalele modalitati de comunicare intercelulara

Dintre cele trei modalitati, cea mai diversificata este transmiterea de semnale chimice intre celulele care nu se afla in contact fizic direct. In functie de distanta la care actioneaza aceste semnale, in primul rand, mecanismele de transmitere (semnalizare) chimica a se clasifica in: A. transmiterea endocrina: celulele endocrine specializate secreta hormoni, care circula prin plasma sanguina si actioneaza asupra diferitelor celule - tinta;

B. transmiterea paracrina: celulele paracrine secreta mediatori chimici locali, care actioneaza asupra celulelor situate in imediata lor vecinatate; acesti mediatori sunt rapid captati, imobilizati sau degradati enzimatic;

40

Page 41: Biologie Celulara

C. transmiterea sinaptica: celulele sistemului nervos secreta neurotransmitatori la nivelul jonctiunilor specializate denumite sinapse chimice (sinapse neuro-neuronale – intre neuroni si jonctiuni neuromusculare – intre un neuron motor si o fibra musculara) (fig 4.2.).

Fig. 4. 2. Modalitati de semnalizare chimica a celulelor aflate la distanta

In toate aceste cazuri, celulele - tinta raspund la semnalul chimic specific prin intermediul unor receptori de membrana, care fixeaza molecula informativa si initiaza raspunsul.

Aceeasi molecula informativa are frecvent efecte diferite asupra celulelor - tinta diferite. Aceste efecte variate pot fi explicate fie prin existenta unor receptori diferiti in plasmalema

celulelor receptoare, fie, in cazul prezentei aceluiasi tip de receptori in diverse celule, a unei modalitati specifice de transductie intracelulara a semnalelor externe (fig. 4.3.).

Fig. 4.3. Raspunsuri diferite ale unor tipuri de celule la actiunea aceluiasi semnal chimic (neurotransmitatorul acetilcolina).

Transmiterea endocrina este destul de lenta, un hormon necesitand cateva minute pentru a ajunge la celula tinta. Fiecare tip de celula endocrina secreta un hormon diferit si fiecare celula -

41

Page 42: Biologie Celulara

tinta prezinta receptori complementari pentru acesti hormoni, raspunsul depinzand in final de tipul celular.

Transmisia nervoasa, in schimb, este mult mai rapida si mai precisa. Semnalele chimice eliberate de celulele nervoase la nivelul sinapselor, sub actiunea

potentialului de actiune, actioneaza asupra celulelor postsinaptice atat intr-o maniera paracrina, cat si una sinaptica. In sistemul paracrin, neurotransmitatorul difuzeaza asupra mai multor celule - tinta vecine, pe cand in sistemul sinaptic, actiunea neurotransmitatorului este limitata la o singura celula - tinta. Spre deosebire de hormoni, care sunt puternic diluati in fluxul sanguin si lichidul interstitial, neurotransmitatorii sunt mult mai putin diluati, iar receptorii acestora au o afinitate destul de slaba pentru ligandul lor caracteristic. Neurotransmitatorii initiaza raspunsuri mult mai rapide decat hormonii Moleculele informative (mediatori chimici locali, neurotransmitatori, hormoni) sunt foarte variate ca structura, putand fi reprezentate de peptide, proteine, glicoproteine, acizi aminici, steroli si acizi grasi etc. Majoritatea hormonilor si mediatorilor chimici locali sunt hidrosolubili. Hormonii tiroidieni si steroizi, in schimb, insolubili in apa (liposolubili) sunt solubilizati in timpul transportului sanguin, prin fixarea lor la diferiti transportori proteici specifici. Aceasta diferenta de solubilitate este responsabila de modalitatea fundamental diferita de actiune a celor doua clase de molecule asupra celulelor - tinta:

moleculele hidrosolubile se fixeaza pe receptorii proteici externi ai suprafetei celulare;

hormonii liposolubili traverseaza usor membrana plasmatica (bistratul lipidic) si se fixeaza pe receptorii proteici intracelulari specifici.

4.1. Semnalizarea prin intermediul receptorilor intracelulari

Hormonii steroizi, avand o greutate moleculara mica (~300 Da), traverseaza membrana plasmatica prin difuzie simpla si se fixeaza cu afinitate puternica, dar reversibil, pe un receptor proteic complementar.

Fixarea hormonului induce o modificare alosterica a conformatiei receptorului proteic (activarea receptorului), care creste afinitatea acestuia pentru ADN. Activarea permite legarea receptorului pentru hormonii steroizi la unele gene specifice, avand drept efect reglarea transcriptiei lor. Catena polipeptidica a receptorului (~ 800 AA) este pliata in trei domenii distincte:

domeniul carboxi-terminal, la care se ataseaza hormonul; domeniul median, care se leaga la ADN; domeniul amino-terminal, care activeaza transcrierea genei (fig. 4.4.)..

Fig. 4.4. Mecanismul de actiune ale hormonilor steroizi (A) si tipuri de receptori pentru hormonii steroizi si alti

liganzi(B)

42

Page 43: Biologie Celulara

Fixarea hormonului activeaza receptorul (in mod obisnuit inactiv), crescandu-i afinitatea pentru ADN. Atasarea complexului hormon-receptor pe situsurile specifice ale ADN-ului activeaza (sau uneori inhiba) transcrierea genelor corespunzatoare Raspunsul la un hormon steroid are loc in doua etape:

inducerea directa a transcriptiei unor gene specifice - raspunsul primar. produsii acestor gene pot, la randul lor, sa activeze noi gene si sa produca un

raspuns secundar, intarziat (fig. 4.5.).

Fig. 4.5. Etape ce activare a trancriptiei genelor controlate de hormonii steroizi

Raspunsul la hormonii steroizi, ca si raspunsurile hormonale, in general, sunt determinate atat de natura celulei - tinta cat si de natura hormonului respectiv. Aceasta realitate are doua explicatii posibile: ori fiecare tip de celule - tinta poseda receptori diferiti pentru acelasi hormon, ori receptorii sunt identici, dar genele pe care le activeaza sunt diferite. Ultima explicatie pare cea mai plauzibila, deoarece s-a demonstrat ca receptorii pentru estradiol, cortizol si progesteron (hormoni steroizi) sunt codificati de o singura gena, iar masculii care prezinta mutatii ale receptorului pentru testosteron sunt anormali. Receptorii hormonilor steroizi nu pot activa o gena decat intr-o combinatie adecvata cu alte proteine reglatoare, specifice pentru diferite celule.

4.2. Semnalizarea prin intermediul receptorilor proteici de suprafata

Toate moleculele informative hidrofile (neurotransmitatori, hormoni proteici si factori de crestere) se fixeaza pe receptorii proteici specifici de pe suprafata celulelor - tinta asupra carora acestia actioneaza.

Acesti receptori fixeaza molecula informativa (ligandul) cu o afinitate puternica si convertesc stimularea extracelulara intr-un semnal intracelular care modifica comportamentul celulei tinta. Numarul de receptori de suprafata pentru un ligand dat poate varia intre 500 - 10.000 molecule/celula, ei avand fie o distributie difuza, fie localizata in anumite regiuni particulare ale plasmalemei. Spre deosebire de receptorii intracelulari ai hormonilor steroizi sau tiroidieni, receptorii de la nivelul suprafetei celulare nu regleaza direct expresia genelor. Ei retransmit semnalul prin membrana plasmatica si influenteaza evenimentele moleculare din citosol sau nucleu prin generarea de noi semnale intracelulare (transductia intracelulara a semnalelor extracelulare).

Receptorii de suprafata celulara pot fi impartiti in trei clase, in functie de mecanismul de transductie al semnalului pe care-l utilizeaza:

43

Page 44: Biologie Celulara

receptorii legati de canale - sunt canale ionice a caror deschidere este reglata de un neurotransmitator (canale ligand – dependente). Ei sunt implicati, in principal, in transmiterea rapida a semnalului sinaptic intre celulele excitabile si modifica tranzitoriu permeabilitatea membranara pentru ioni (excitabilitatea celulelor post - sinaptice).

receptorii catalitici - actioneaza direct ca enzime. Domeniul lor catalitic intracelular functioneaza ca o protein - kinaza specifica pentru tirozina.

receptorii legati de proteinele G - activeaza sau inactiveaza, indirect, o enzima specifica, atasata la membrana plasmatica sau un canal ionic. Aceasta actiune se realizeaza prin intermediul unei proteine numite proteina reglatoare GTP -dependenta (proteina G) (fig. 4.6.).

Fig. 4.6. Tipuri majore de receptori membranari de suprafata pentru semnalele solubile

Receptorii legati de proteina G modifica concentratia intracelulara a uneia sau mai multor molecule mici, numite mesageri intracelulari sau mesageri secundari. Mesagerii intracelulari modifica, la randul lor, comportamentul altor proteine - tinta din celula.

Printre cei mai importanti mesageri intracelulari se numara cAMP-ul si ionii de Ca+2. Semnalizarea prin intermediul cAMP sau Ca+2 reprezinta cele doua cai prin care se

realizeaza transductia intracelulara a semnalelor in aproape toate celulele animale (Fig.12.13, Alberts).

Diversitatea sistemelor de transmitere intracelulara a semnalelor prin intermediul proteinelor G este remarcabila.

De exemplu, proteinele Gs si Gi cupleaza receptorii cu adenilat-ciclaza, in timp ce proteinele Gp cupleaza receptorii cu fosfolipaza C. In celulele cu bastonase ale vertebratelor, o proteina G, denumita transducina, cupleaza actiunea unui foton cu activarea unei fosfodiesteraze care

44

Page 45: Biologie Celulara

hidrolizeaza cGMP-ul. Legarea acetilcolinei la receptorii celulelor musculare cardiace (receptori muscarinici ai acetilcolinei) activeaza o proteina G care deschide indirect un canal de K+.

4.2.1. Transductia prin intermediul cAMP

Pentru ca cAMP sa functioneze ca mediator intracelular, concentratia sa intracelulara trebuie sa varieze rapid, ca raspuns la semnalele extracelulare. Sinteza rapida a cAMP trebuie sa fie echilibrata prin degradarea sau eliminarea sa rapida din celula.

cAMP este sintetizat din AMP cu ajutorul adenilil - ciclazei atasate la membrana plasmatica si este hidrolizat rapid, sub actiunea cAMP – fosfodiesterazelor, in 5’- AMP (fig. 4.7.).

Majoritatea hormonilor si a mediatorilor chimici locali controleaza concentratia citoplasmatica a cAMP prin activarea (sau, uneori, inhibarea) adenilil-ciclazei (si nu a fosfo – diesterazei).

Fig. 4.7. Sinteza si degradarea AMP – ului ciclic (cAMP)

Desi, la bacterii, receptorii si adenilil – ciclaza interactioneaza direct, la celulele animale cuplarea dintre aceste molecule se realizeaza indirect, prin intermediul proteinei G – stimulatoare (Gs). Pentru a transmite semnalul de la receptori la ciclaza, proteina Gs trebuie sa sufere o schimbare structural – conformationala, dupa receptia unui semnal specific. Atunci cand Gs este activata de complexul hormon-receptor, ea se leaga simultan cu o molecula de GTP si poate modifica molecula adenilil – ciclazei, activand – o. Hidroliza GTP-ului in GDP, sub actiunea unei subunitati a proteinei Gs, stopeaza activarea acestei ennzime si, in final, a ciclazei.

AMP-ul ciclic isi exercita efectele in celula animala prin activarea unei enzime celulare specifice, numita protein-kinaza cAMP – dependenta (kinaza A).

Aceasta catalizeaza transferul unui grup fosfat de la ATP la un reziduu de serina sau treonina al unui mic grup de proteine celulare. De exemplu, fixarea adrenalinei pe receptorii beta-adrenergici din celula musculara creste cantitatea de cAMP din citosol, prin activarea adenilil-

45

Page 46: Biologie Celulara

ciclazei. cAMP, la randul sau, va activa kinaza A, care fosforileaza fosforil – kinaza. Aceasta fosforileaza apoi glicogen – fosforilaza, inducand glicoliza glicogenului (Fig. 4.8.).

Fig. 4.8. Etapele inducerii degradarii glicogenului in fibra musculara scheletica de catre cAMP

In unele celule animale, cresterea concentratiei de cAMP activeaza transcrierea unor gene specifice. De exemplu, celulele neuroendocrine ale hipotalamusului vor secreta somatostatina, in conditiile activarii genelor acestui hormon de catre cAMP.

In majoritatea celulelor animale, functioneaza si cGMP (GMP ciclic) ca mediator intracelular. cGMP-ul activeaza o protein - kinaza specifica (kinaza G), care fosforileaza o serie de proteine in celula – tinta, (in general proteine necunoscute). Guanil-ciclaza, care catalizeaza formarea GMP din GTP, este o enzima insolubila, care nu este cert cuplata cu receptorii suprafetei celulare.

4.2.2. Transductia prin intermediul ionilor de Ca+2

Concentratia Ca+2 liber din citosol este foarte mica (~ 10-7 M) in comparatie cu concentratia ionlui in lichidul extracelular si in compartimentele intracelulare specializate in stocarea Ca+2 (~ 10-3 M).

Atunci cand un semnal deschide in mod tranzitoriu canalele de Ca+2, ionii de Ca se precipita in citoplasma, crescand concentratia sa locala si activand mecanismele intracelulare sensibile la acest ion. Deoarece concentratia citosolica de Ca+2 trebuie sa ramana scazuta, patru mecanisme distincte intervin si concura in acest scop:

ATP- aza Ca+2 - dependenta, care pompeaza ionii de calciu din celula in mediul extracelular;

un sistem antiport cu Na+, care extruzeaza calciul in mediu (intalnit in celulele musculare si nervoase);

o pompa de calciu ATP - dependenta din membrana compartimentului intracelular de stocare a calciului – reticulul endoplasmatic ( calcsechestrina );

pompa de calciu mitocondriala care indeparteaza calciul din citosol, atunci cand celula este lezata.

In sfarsit, calciul se poate lega la diferite molecule intracelulare, realizand astfel o cale de transductie a semnalelor chimice (fig. 4.9.).

46

Page 47: Biologie Celulara

Fig. 4.9. Mecanisme de mentinere a unei concentratii citosolice scazute Ca2+ prin pomparea ionului in mediul extrcelular (A) sau prin introducerea sa activa in unele organite celulare (B)

Ionii de calciu actioneaza ca mesageri intracelulari, mediind o larga varietate de raspunsuri celulare (inclusiv secretia si proliferarea celulara). Exista doua cai majore de crestere a concentratiei citosolice a Ca2+ sub actiunea semnalelor extacelulare:

in celulele nervoase, depolarizarea membranei plasmatice produce un puternic influx de calciu in terminatiile axonului, fenomen care initiaza secretia neurotrans - mitatorului;

in majoritatea celulelor, legarea unor semnale chimice extracelulare la receptorii de membrana determina eliberarea calciului din compartimentul de retentie intracito –plasmatic (RE).

Cuplarea evenimentelor extracelulare cu deschiderea canalelor de calciu se realizeaza prin intermediul unui alt mesager intracelular - inozitoltrifosfatul (IP3).

Inozitoltrifosfatul rezulta din hidroliza fosfolipidelor care contin inozitol – inozitol fosfolipide (fosfoinozitide), prezente in monostratul intern al plasmalemei.

Fosfoinozitidele cele mai importante in transductia semnalelor sunt derivati fosforilati ai fosfatidilinozitolului (PI): fosfatidilinozitol 4 - fosfatul (PIP) si fosfatidilinozitol 4,5 - bifosfatul (PIP2).

In productia de inozitoltrifosfat, hidroliza PIP2 este cea mai importanta Fixarea semnalelor extracelulare pe un receptor specific din plasmalema activeaza o proteina G (Gp) care activeaza fosfolipaza C. Aceasta enzima cliveaza PIP si PIP2, formand doi produsi: inozitoltrifosfatul si diacilglicerolul (fig.4.10.). In aceasta faza, calea de transductie a semnalelor se separa in doua directii:

IP3, fiind o molecula mica, hidrosolubila, elibereaza ionii de Ca din compartimentul intracelular de retentie (RE). Aceasta actiune poate fi explicata prin cuplarea moleculei de IP3 cu un receptor proteic din membrana RE, care deschide canalele de Ca2+.

diacilglicerolul indeplineste doua roluri in transmiterea semnalelor: poate fi clivat in acid arahidonic, sau poate activa o protein - kinaza specifica, care ulterior poate fosforila un anumit numar de proteine cu functii diferite in celula.

Aceasta kinaza (kinaza C) este calciu - dependenta si, in numeroase celule, este activata prin efectul cooperativ al diacilglicerolului si al concentratiei de calciu, crescuta in urma actiunii IP3. Kinaza C transfera gruparea fosfat terminala a ATP-ului pe reziduurile de serina sau treonina, situate in proteinele - tinta specifice (care variaza in functie de tipul celular).

Rolul calciului, in calitate de mesager secundar, se realizeaza prin atasarea acestuia la o serie de proteine specifice.

47

Page 48: Biologie Celulara

Fig. 4.10. Sinteza inozitoltrifosfatului (IP3) si a diacilglicerolului

Calmodulina, una dintre proteinele specifice majore de legare a calciului, a fost identificata in toate celulele animale si vegetale.

Ea functioneaza ca un receptor intracelular polivalent de calciu, indeplinind un rol in majoritatea proceselor reglate de acest ion. Calciul produce o activare alosterica a calmodulinei.

Complexul calciu-calmodulina, activat, actioneaza asupra a numeroase proteine - tinta, dintre cele mai cunoscute fiind protein - kinazele calciu/calmodulin - dependente (Ca2+ - kinazele). Aceste proteine functioneaza atat ca enzime, cat si ca proteine de membrana cu rol transportor (fig. 4.11.).

Fig. 4.11. Complexul Ca2+/calmodulina (A – conformatie spatiala tridimensionala; B – modificarea conformationala a complexului produsa de atasarea la o proteina – tinta specifica)

48

Page 49: Biologie Celulara

Spre deosebire de sistemele directe de transmitere ale semnalelor (cum sunt cele la care participa hormonii steroizi), cascadele catalitice de mediatori intracelulari ofera numeroase posi - bilitati de amplificare si reglare a raspunsurilor la semnalele extracelulare. De exemplu, atunci cand un ligand activeaza indirect adenilil - ciclaza, prin fixarea sa pe un receptor membranar specific, fiecare molecula de ciclaza poate sa converteasca un numar mare de molecule de ATP in cAMP. Astfel, o concentratie de 10-9 M a semnalului extracelular induceconcentratii de 10-6 M a mesagerului secundar intracelular (cAMP). In continuare, prin acest efect de amplificare, o singura molecula informativa extracelulara provoaca modificari a milioane de mo - lecule - tinta din celula. In plus, fiecare proteina reglatoare din aceasta secventa de semnale poate fi o tinta dis -tincta pentru controlul metabolic (de exemplu, in cadrul cascadei de degradare a glicogenului in celulele muschiului scheletic).

49

Page 50: Biologie Celulara

Intrebari de verificare si evaluare a cunostintelor

1. Ce modalitati generale de comunicare intrercelulara cunoasteti?2. Care sunt cele trei posibilitati majore de semnalizare a celulelor aflate la distanta?3. In ce constau particularitatile si deosebirile intre transmiterea pe cale endocrina si

sinaptica a semnalelor chimice?4. Care sunt cele doua modalitati fundamentale distincte de semnalizare celulara, in functie

de tipul de solubilitate a moleculelor informationale?5. Care sunt domeniile ultrastructurale ale receptorilor intracelulari pentru hormonii steroizi

si care este modul de actiune al acestor semnale?6. Ce intelegeti prin notiunile de raspuns primar si raspuns secundar la actiunea hormonilor

steroizi?7. Care sunt cele trei tipuri de receptori ai suprafetei celulare pentru moleculele

hidrosolubile si cum functioneaza acestia?8. Care sunt cele doua cai fundamentale de transductie a semnalelor initiate de receptorii

membranari cuplati cu proteinele G?9. Care sunt enzimele care intervin in sinteza, respectiv degradarea cAMP – ului si care sunt reactiile prin care acest mesager secundar intracelular induce hidroliza gicogenului in fibrele musculare?

10. Ce mecanisme utilizeaza celulele in vederea mentinerii unei concentratii intracitoplasmatice foarte scazute a ionor de calciu?

11. Ce reprezinta, ce rol joaca si cum se sintetizeaza inozitoltrifosfatul (IP3) si diacilglicerolul?

12. Cum isi exercita ionii de calciu rolul de mesageri secundari in celulele – tinta?13. In ce consta amplificarea si controlul raspunsurilor celulare declansate prin fixarea

semnalelor extracelulare pe receptorii specifici ai suprafetei celulare?

Teme pentru examinarea finala

1. Enumerarea cailor fundamentale de comunicare celulara si precizarea caracteristicilor acestora.

2. Intelegerea corelatiilor esentiale intre natura semnalelor chimice, receptorii celulari specifici ai acestora si raspunsurile celulelor – tinta.

3. Descrierea principalelor evenimente caracteristice semnalizarii prin intermediul receptorilor intracelulari.

4. Precizarea receptorilor, cailor fundamentale, mesagerilor secundari si a etapelor de actiune ale acestora in cadrul semnalizarii prin intermediul receptorilor de suprafata.

50

Page 51: Biologie Celulara

Unitatea de invatare 5

Motilitatea celulara

Motilitatea celulara (miscarile celulare) este o proprietate de baza ale celulei, miscarea, in general, fiind o caracteristica generala a materiei vii. Moartea celulara conduce la disparitia miscarilor celulare, persistand doar o miscare browniana, care este, de fapt, un fenomen fizic.

Miscarile celulare sunt extrem de variate. In functie de modificarea sau pastrarea raporturilor celulelor cu mediul (pozitiei celulelor

fata de un punct de referinta), se disting trei categorii de miscari; la nivel molecular, miscarile celulare se datoresc actiunii a doua sisteme motile: sistemul actina - miozina si sistemul microtubul - dineina.

Tinand cont de aceste doua criterii, miscarile celulare pot fi clasificate si sintetizate in modul urmator:

A. miscari din timpul contractiei musculare (acest tip de miscari nu va fi detalliat in capitolul de fata, el constituind un capitol important al Fiziologiei animale);

B. miscari ce modifica raporturile dintre celule si mediul extern. Se clasifica in: miscarea de locomotie amoeboidiana; miscarea ciliara si flagelara.

C. miscari ce nu modifica raporturile celulei cu mediul extern. Se clasifica in: miscari din cursul diviziunii celulare; miscarile microvililor celulelor din diverse endoitelii; miscarea de cicloza.

5.1. Miscarea de locomotie amoeboidiana

Consta in deplasarea celulelor libere cu ajutorul unor expansiuni temporale ale citoplasmei, numite pseudopode. Deoarece acest tip de locomotie a fost observat pentru prima data la celulele amoeboidiene, a fost denumit miscare amoeboidiana.

Miscarea amoeboidiana este caracteristica si altor tipuri de celule din organismele pluricelulare: leucocite, fibrocite, etc. In cazul fibroblastelor crescute in culturi, pe langa pseudopodele formate la extremitatea anterioara a celulei aflata in deplasare, se observa si numerosi spiculi, precum si “valuri ale suprafetei celulare” (lamelipodii) care se deplaseaza in directie inversa miscarii (fig. 5.1.).

Fig. 5.1. Micrografie in microscopie electronica cu baleiaj a extremitatii anterioare a unui fibroblast uman aflat in cultura

51

Page 52: Biologie Celulara

Examinarea unei amoebe in miscare, prin microscopie fotonica, permite observarea a doua zone de citoplasma in interiorul celulei:

un strat extern – ectoplasma - localizat pe laturile pseudopodului, relativ lipsit de granulatii si vacuole;

un strat intern - endoplasma. Ectoplasma are structura de gel, cu consistenta si o viscozitate mai mare decat endoplasma. Datorita fluiditatii sale, endoplasma formeaza un curent citoplasmatic, care inainteaza in centrul pseudopodului, pana aproape de extremitatea sa anterioara, dupa care se rasfrange lateral (“zona de fantana”). In aceasta zona, endoplasma, etalata lateral, se transforma in ectoplasma rigida, constituind in acest fel un suport mecanic pentru miscarea de locomotie a pseudopodului; in directia opusa miscarii, ectoplasma corticala se dezorganizeaza, transformandu – se in endoplasma, care este propulsata anterior, intretinand astfel extensia pseudopodului (fig. 5.2.).

A

B Conversie ectoplasma - endoplasma

Fig. 5.2. Mecanismele locomotiei amoeboidiene (ale formarii pseudopodului) (A – imagine de ansamblu; B – extremitate posterioara)

In functie de natura si localizarea fortei generatoare a miscarii amoeboidiene, s-au elaborat doua teorii principale care incearca sa explice aceasta miscare:

teoria contractiei ectoplasmei tubulare - sustine ca forta contractila este generata in partea opusa miscarii, de catre ectoplasma, care se transforma continuu intr-un tub endoplasmatic, impingand curentul de endoplasma in directie anteriora. Partea posterioara a celulei creaza permanent o presiune crescuta a endoplasmei in comparatie cu extremitatea anterioara.

teoria contractiei frontale - postuleaza ca forta motrice este generata de contractia endoplasmei, aparuta in apropierea punctului anterior de avansare a pseudopodului, restul celulei fiind “tras” de aceasta contractie. Aceasta teorie sustine ca endoplasma din regiunea anterioara poseda o consistenta suficient de mare (forta tensoare) care se poate transmite treptat endoplasmei din restul celulei.

Ulterior, s-a reusit extragerea de actina si miozina din celulele amoeboidiene, iar studiile de microscopie electronica au demonstrat ca regiunea corticala, cu consistenta de gel, contine o bogata retea de filamente de actina. Aceste molecule au fost implicate in explicarea fortelor generatoare ale miscarii amoeboidiene si in formarea pseudopodelor.

Filamentele de actina au o polaritate bine definita, iar capetele moleculei de miozina nu se pot lega si deplasa de-a lungul acestor filamente decat daca sunt corect orientate in raport cu polaritate actinei. Ansamblurile bipolare ale moleculelor de miozina non – musculare, de mici dimensiuni, atrag filamentele de actina si le asambleaza, formand sisteme functionale contractile, chiar daca orientarea initiala reciproca a acestor molecule nu este corecta (fig. 5.3.).

52

Page 53: Biologie Celulara

Fig. 5.3. Participarea actinei la formarea pseudopodului si realizare locomotiei amoeboidiene

5.2. Miscarea ciliara si flagelara

Cilii si flagelii reprezinta expansiuni (proiectii) celulare alungite, capabile sa exercite, prin miscarile lor, o forta care fie antreneaza un curent de lichid pe suprafata celulara (in cazul celulelor imobile), fie determina miscarea celulelor izolate in mediu lichid. Desi intre cilii si flagelii procariotelor si eucariotelor exista deosebiri nete, la eucariote cilii si flagelii au o similitudine ultrastructurala remarcabila.

Miscarea ciliara (flagelara) poate fi descompusa in doua faze (fig. 5.4.): faza activa, in care cilul (flagelul) se mentine relativ rigid si bataia (plierea) lui

produce o miscare in sens invers a celulei; faza pasiva, in care cilul (flagelul) revine in pozitia initiala, prin deplierea lui gradata,

de la baza spre varf.

Fig. 5.4. Faze ale miscarii cililor (flagelilor) (A – inregistrarea microcinematografica a miscarilor flagelului unui spermatozoid; B – schema: 1,2 – faza activa a miscarii; 3,4,5 – faza pasiva)

53

Page 54: Biologie Celulara

In general, cilii au dimensiuni mai mici decat flagelii si sunt prezenti in numar mult mai mare decat flagelii la nivelul unei celule. Ei sunt grupati in campuri ciliare, mai mult sau mai putin paralele intre ele (fig. 5.5.).

Fig. 5.5. Microfotografie electronica a cimpurilor ciliare din mucoasa intestinala a unui vierme marin

Cilii dintr-un sir (camp) efectueaza o miscare metacronala (asemanatoare cu miscarea unui lan de grau batut de vant), in care plierea cilului anterior precede pe cea a cilului urmator. Cilii din sirurile succesive (perpendiculare pe axul lung al celulei) efectueaza o miscare in concordanta de faza (izocronala). La celulele organismelor pluricelulare asociate in foite epitelile, imobile, cilii realizeaza un transport de fluid pe suprafata celulelor. La om, de exemplu, exista importante campuri de cili la nivelul tractului respirator, al trompelor uterine, al ventriculelor cerebrale, etc. Structuri ciliare modificate sunt prezente si la nivelul diferitelor celule senzoriale, unde nu mai indeplinesc o functie locomotorie.

Spre deosebire de miscarea ciliara, bataia unui flagel este simetrica si are o forma ondulatorie sau spiralata. Activitatea flagelilor produce o forta paralela cu directia de deplasare a celulei, care impinge (sau tracteaza) celula in mediul lichid. Flagelii au dimensiuni mai mari decat cilii (diametrul de ~ 0,2 micrometri) si lungimi de la 1 micrometru la cativa mm) si sunt prezenti in numar mai mic decat cilii (~ 1 - 2 per celula).

Din punct de vedere ultrastructural, cilii si flagelii sunt expansiuni ale unui corpuscul bazal (cinetocor), situat la periferia citoplasmei, sub plasmalema.

Corpusculii bazali sunt centrioli modificati din punct de vedere ultrastructural si functional, constituiti din microtubuli. Structura lor tipica este cea a 9 grupe (triplete) de cate 3 microtubuli (A, B si C).

Microtubulii din fiecare grup sunt orientati paralel intre ei si alipiti pe o latura. Intre tripletele adiacente de microtubuli exista brate conective, perpendiculare pe directia acestora (fig. 5.6.).

Fig. 5.6. Ultrastructura corpuscului bazal (cinetocorului) (A – electronomicrografie a unei sectiuni transversale prin cinetocor; B – vedere laterala schematica)

54

Page 55: Biologie Celulara

In structura cililor si flagelilor numai bratele A si B se prelungesc, formand o zona centrala (axonema), compusa din 9 grupe a cate 2 microtubuli (9 dublete).

Pe sectiunile transversale prin cili si flageli, se observa ca microtubulul A are o structura completa, fiind compus din 13 protofilamente, pe cand microtubulul B este incomplet, posedand 10 - 11 protofilamente. Microtubulul A din cadrul unui dublet este interconectat cu microtubulul B din dubletul vecin prin intermediul unor filamente subtiri, de natura proteica, formate din nexina elastica. De asemenea, din subfibrila A spre subfibrila B se proiecteaza mai multe brate de dineina, cu importanta deosebita in mecanismul miscarii ciliare. Partea centrala a cililor si flagelilor este ocupata de o pereche de microtubuli cu structura completa, delimitati de un manson proteic.

Citoscheletul cilio - flagelar este completat de prezenta unor brate radiare, care pornesc tot de la tubulul A, in directia dubletului central (fig. 5.7.).

Fig. 5.7. Ultrastructura citoscheletului cilio – flagelar (axonenemei) in sectiune transversala (A – imagine electronomicroscopica; B – schema)

Sectiunile longitudinale prin axonema arata natura continua a fibrilelor microtubulare si cea discontinua a celorlalte elemente proteice. De exemplu, bratele radiare apar ca proiectii ale subfibrilei A, dispuse in grupe de cate trei, spatiate cu o perioada de 96 nm. Deoarece tubulii centrali nu sunt prezenti si in corpusculii bazali, este posibil ca ei sa fie generati din materialul amorf prezent la baza axonemei, care contine tubulina.

Spre deosebire de miscarea flagelara a bacteriilor, forta de locomotie a cililor si flagelilor pare a fi localizata la nivelul axonemei si nu la baza structurii ciliare. Ca dovada, sectionarea bazala cililor cu microfascicule laser nu a stopat miscarea lor, iar indepartarea membranei celulare a cililor si flagelii izolati nu a impiedicat miscarile axonemei, in conditiile prezentei ionilor de magneziu si a ATP-ului.

Ulterior, s-a descoperit ca proteina ciliara cu activitate ATP - azica este dineina (fig. 5.8.).

Fig. 5.8. Interactiunea complexelor de dineina cu microtubulul A din structura axonemei (A – schema; B – electronomicrografie)

55

Page 56: Biologie Celulara

Mecanismul locomotor al miscarii ciliare, unanim acceptat, este cel glisant, de tip microtubul - dineina. Conform acestui mecanism, microtubulii axonemei nu se lungesc si nu se scurteaza in timpul flectarii cililor, ci lungimea lor ramane constanta. Aparenta diferenta de lungime a microtubulilor, atunci cand se apleaca intr-o parte sau in cealalta, rezulta din faptul ca microtubulii situati in vecinatatea curburii mici se aplaca mai putin decat cei situati in dreptul curburii mari. Aceasta pastrare a lungimii este posibila datorita alunecarilor reciproce, prin intermediul bratelor de dineina, care “pasesc” pe subfibrila B. Fiecare „pas” reprezinta un ciclu energetic in care se produce hidroliza ATP-ului (fig. 5.9.).

Fig. 5.9. Demonstrarea mecanismului glisant de pliere de tip microtubul – dineina, care sta la baza miscarilor cilio - flagelare

Cilii si flagelii se pliaza de 10-40 ori pe secunda, aceasta miscare fiind precisa si coordo -nata. Coordonare activitatilor locomotorii cilio – flagelare presupune o reglare intracitoplasmatica, al carei mecanism este inca insuficient cunoscut. Ionii de Ca+2, desi facultativi pentru miscare, par a fi implicati in controlul directiei si a frecventei batailor ciliare si flagelare: cand o celula flagelata sau ciliata este expusa unui stimul adecvat, se produce un influx accentuat de calciu. De exemplu, cresterea concentratiei intracelulare de Ca+2 la Paramecium produce o indepartare a celulei fata de un stimul nociv, pe cand la Chlamydomonas determina o orientare catre sursa de lumina.

5.3. Miscarea de cicloza

Celulele vegetale, datorita vacuolelor centrale si a peretilor lor rigizi, pot atinge dimensiuni mult mai mari decat cele animale. Deoarece difuzia este destul de neeficienta pe distante mari, aceste celule necesita un curent citoplasmatic (curent de cicloza), care sa asigure o circulatie eficienta a citoplasmei.

Curentii de cicloza sunt net observabili in celulele gigantice multinucleate ale algelor verzi Chara si Nitella. In aceste celule, un flux continuu de citoplasma, de forma unei benzi elicoidale, se deplaseaza de la un capat la altul al celulei, antrenand membranele interne, mitocondriile, nucleii si alte organite, cu o viteza de 75 micrometri / s.

Sistemul generator al miscarii de cicloza, in aceste celule, se situeaza la interfata dintre citoplasma in miscare si un monostrat imobil, cu cloroplaste, localizat imediat sub membrana plasmatica. In aceasta regiune microscopia electronica a relevat prezenta unor fascicule groase de filamente de actina, orientate dupa aceeasi polaritate. Aceasta polaritate este atat de evidenta, incat miscarea directionata a moleculelor de miozina de - a lungul filamentelor de actina (de la capatul “-“ la capatul “+”) poate antrena curentul citoplasmatic observat.

56

Page 57: Biologie Celulara

Intrebari de verificare si evaluare a cunostintelor

1. Care sunt criteriile de clasificare a miscarilor celulare si ce tipuri de miscari celulare cunoasteti? 2. Ce reprezinta locomotia amoeboidiana, caror tipuri de celule le este caracteristica aceastaforma de deplasare si care este mecanismul realizarii ei? 3. Care sunt cele doua teorii principale care explica geneza fortelor mecanice implicate in de –clansarea miscarilor amoeboidiene? 4. Care este substratul contractil al miscarilor amoeboidiene? 5. Ce sunt cilii si flagelii si care sunt etapele unui ciclu complet de activitate a acestora? 6. Care sunt deosebirile esentiale de ordin morfologic si functional dintre cili si flageli? 7. Ce este corpusculul bazal (cinetocorul) si ce ultrastastructura poseda acesta? 8. Care sunt caracteristicile ultrastructurale ale axonemei cililor si flagelilor? 9. Puteti preciza corelatiile dintre componentele sistemului locomotor microtubul – dineina, corelatii care stau la baza miscarilor ciliare si fagelare? 10. Cum se realizeaza coordonarea activitatilor locomotorii cilio – flagelare? 11. Ce reprezinta miscarea de cicloza, la ce tipuri de celule apare aceasta si care este rolul ei?

Teme pentru examinarea finala

1. Precizarea importantei, rolului si a tipurilor de miscari efectuate de celule. 2. Descrierea sistemelor moleculare cu rol motor (elemente ale citoscheletului) caracteristice diferitelor tipuri de miscari celulare. 3. Caracterizarea tipurilor de miscari celulare la nivel microscopic si ultrastructural. 4. Fixarea aspectelor comune si particulare ale diferitelor tipuri de locomotie celulara.

57

Page 58: Biologie Celulara

58