NOŢIUNI GENERALE DESPRE CELULĂ Celulele:
sunt unităţile structurale ale lumii vii , se află permanent în relaţie de echilibru dinamic cu mediul înconjurător, transformă elementele din mediu în elemente proprii:
prin procese consumatoare de energie, au ca principale proprietăţi: creşterea, dezvoltarea, autoreproducerea. o
Din punct de vedere structural există două tipuri fundamentale de celule: procariotele şi eucariotele.
Procariotele (celulele fără nucleu propriu-zis) sunt: formele celulare de viaţă cele mai simple şi primitive primiti ve,
reprezentate în principal de bacterii şi alge, celule mici, cu lungimea de 1- 5 μm, formate din puţine elemente structurale: o membrana celulară alcătuită din: membrana internă ce trimite spr e interior mici expansiuni, membrana externă cu rol protector,
o
o
la exterior poate prezenta un perete celular, un nucleoid reprezentat de un lanţ de ADN fără histone asociate, înveliş nuclear pentru a-l separa de ceilalţi constituenţi celulari, numeroşi ribozomi liberi în citoplasmă.
ce nu prezintă
Procariotele au capacitate de înmulţire deosebită şi se adaptează foarte uşor la condiţiile de mediu. Procariotele sunt studiate în medicină doar ca agenţi patogeni.
Eucariotele: sunt celule mai mari, cu d iametrul peste 10 μm, sunt reprezentate de protozoare (ex. (ex. amoeba), celulele plantelor, ani-malelor, omului, au o or ganizare ganizare complexă, cu trei componente principale: o membrana (suprafaţa celulară), o citoplasma, la nivelul căreia există numeroase organi te delimitate de endomembrane, nucleul distinct, al cărui material genetic, cu histone asociate este delimitat de o înveluşul nuclear .
Organismul uman este alcătuit din 10 12 – 1015 celule eucariote grupate în numeroase (câteva sute) tipuri celulare, diferenţiate pentru a-şi realiza funcţia cu o eficienţă mare. Ele pot prezenta o singură funcţie specifică, dar frecvent au capacitatea de a realiza două sau mai multe funcţii: celulele glandelor mucoase au rol în sinteza şi secreţia unor substanţe mucoase, celulele musculare au ca funcţie contractilitatea, 1
celulele senzoriale, transformă stimulii fizici şi chimici în î n impulsuri nervoase, polimorfonuclearele polimorfonuclearele neutrofilele şi macrofagele, macrofagele, digestia intracelulară intracelulară,
celulele epiteliale din intestin au rol în absorbţie, dar sintetizează şi enzime digestive (ex. ex. dizaharidaze, peptidaze).
Celulele diferenţiate, de diferite tipuri (h epatocit, neuron, enterocit, nefrocit), la aceeaşi specie prezintă diferenţe diferenţe mari, fiind uşor de recunoscut. Însă celule de acelaşi tip, care aparţin unor specii diferite (ex. hepatocitul de şobolan şi cel de om), prezintă diferenţe mici. FORMA CELULELOR
Celulelor eucariote au forme foarte diferite, determinate de: factori genetici, caracteristicile fizice şi chimice ale mediului în care se află, raporturile intercelulare,
funcţiile pe care le îndeplinesc. î ndeplinesc. Celulele aflate în mediu lichid ( ex. celulele ex. celulele sanguine) sunt de obicei de formă rotundă
sau ovalară, dar forma lor poate suferi modificări sub influenţa factorilor:
interni sau intracelulari, externi sau extracelulari. Astfel, leucocitele din sânge,
sferice sau ovale în plasma sanguină, îşi modifică mult forma când străbat peretele vascular prin procesul de diapedeză. La nivelul ţesuturilor şi organelor, celulele realizează contacte strânse între ele, iar forma lor devine neregulată datorită compresiunilor reciproce . DIMENSIUNILE CELULELOR
La microscopul optic pot fi examinate structuri ale căror dimensiuni sunt de ordinul micrometrilor. La microscopul electronic însă pot fi studiate şi cele de ordinul nanometrilor sau chiar al angstromilor. De obicei este apreciat diametrul celulelor, iar suprafaţa sau volumul lor pot fi calculate. Diametrul majorităţii celulelor din organism este cuprins între 10 -30 µm: cele mai mici celule la mamifere sunt considerate celulele granulare (neuronii granulari) din cerebel, cu diametrul de 3- 4 µm, cele mai mari sunt ovocitele care au aproximativ 200 µm, unele celule nervoase pot depăşi 100 µm. Nu există o corelaţie stânsă între mărimea celulei şi mărimea corporală a individului
din aceeaşi specie decât numai pentru celulele foarte specializate cum sunt celulele nervoase. Luând în considerare vârsta, se constată că celulele tinere au un diametru mai mare decât cele îmbătrânite. 2
variază între 200 -1500 µm3. Acelaşi tip celular are un volum comparabil în seria animală. Volumul celulelor
COMPOZIŢIA CHIMICĂ A CELULEI EUCARIOTE
Elemente chimice care intră în alcătuirea celulelor eucariote sunt: macroelemente (95%): oxigenul, carbonul, hidrogenul şi azotul , microelemente reprezentate de Ca, P, K, S, Na, Fe, Mg şi Cl, oligoelemente: foarte importante pentru activitatea celulară chiar dacă sunt prezente în cantităţi o mici, o se cunosc până în prezent peste 30 oligoelemente ce intră î n structura organismului animal, Cr, Co, Cu, I, Se, Vn şi Zn au rol esenţial în activitatea celulară .
Moleculele organice care intră în structura unor constituenţi de bază ai celulei sunt: proteinele, lipidele, glucidele, acizii nucleici ADN-ul şi ARN-ul. Proteinele sunt Proteinele sunt reprezentate de: proteinele structurale, cu rol centr al al în realizarea structurii celulei, enzime, care au rolul de a cataliza reacţiile intra şi extracelulare. Glucidele sunt prezente sub formă de glicogen, glicoproteine sau gli -colipide. Ele intră
în alcătuirea membranei celulare şi a unor organite. Lipidele formează complexe lipoproteice care intră în structura cito -membranelor, pot fi stocate ca rezerve şi servesc drept substrat energetic. Acizii nucleici deţin informaţia genetică. intră în alcătuirea celulei în proporţie de 60 -90%, dar deşi este in-dispensabilă activităţii celulare, ea nu constituie substratul acesteia. Apa
DURATA VIEŢII CELULELOR Durata vieţii celulelor diferă în funcţie de tipul celular. Astfel, celulele epitelului intestinal trăiesc 48 -72 ore, după care sunt înlocuite, iar pe de altă parte celulele nervoase şi cele musculare cardiace au durata de viaţă egală cu cea a individului. Celulele epiteliale sunt elemente labile, cu o durată de viaţă relativ scurtă. Celulele uzate sunt înlocuite în permanenţă cu celule tinere provenite d in diviziunea celulelor epiteliale din stratul bazal. Intensitatea procesului de reînnoire celulară a diferitelor epitelii este variabilă. Astfel epiteliul intes-tinului subţire se reînnoieşte la 4 -6 zile, epiteliul de suprafaţă al stomacului la 3-4 zile, iar cel glandular anual. Studiul caracterelor morfologice ale celulelor
descuamate stă la baza citologiei exfoliative care permite depistarea precoce a unor afecţiuni neoplazice (ex. (ex. studiul frotiului vaginal permite depistarea pre-coce a cancerului de col uterin). Cheratinocitele au durata de viaţă de aproxi -mativ 28 de zile, după care se
descuamează. 3
Problema duratei în timp se pune şi pentru componentele structurale ale celulei. Astfel, ADN (cromatina nucleară) persistă tot timpul vieţii celulei, dar alte unităţi structurale sunt în continuă schimbare.
ORGANIZAREA MORFOLOGICĂ A CELULEI EUCARIOTE
Structura celulei este diferită în raport cu:
fazele ciclului celular,
vârsta celulei (celulele tinere au talie mai mică şi structură mai simplă; cele matur e au structură complexă), fazele funcţionale ale celulei. Astfel, o celulă adipoasă când se încarcă cu grăsime are un aspect, iar când pierde grăsimea, alt aspect. Toate celulele eucariote au în componenţa lor trei elemente structurale de bază: membrana sau suprafaţa celulară, citoplasma şi nucleul. Membrana celulară celulară este foarte subţire şi de aceea nu poate fi observată la microscopul optic. Citoplasma Citoplasma apare nestructurată la microscopul optic, cu aspect gra-nular sau filamentos. La nivelul citoplasmei există organitele celulare: ribozomii, cu rol în sinteza proteinelor, reticulul endoplasmic, cu rol de sinteză şi de sistem microcirculator intracitoplasmatic, aparatul Golgi, cu rol în procesul de secreţie celulară, mitocondriile, producătoare de energie , lizozomii, cu rol în digestia intracelulară, peroxizomii, cu rol în procesele de d etoxifiere de la nivel celular, centriolul, ce iniţiază diviziunea celulară.
Pe lângă organite, în citoplasmă pot exista şi formaţiuni cu un caracter tranzitor cum ar fi incluziunile celulare glucidice, lipidice, proteice, pigmen-tare. Nucleul este structura celulară care se evidenţiază cel mai uşor la mi -croscopul optic. În interiorul nucleului se găseşte cromatina şi nucleolul, în -corporate în matricea nucleară (suc nuclear, carioplasmă, cariolimfă).
4
MEMBRANA CELULARĂ .
Concepţia actuală privind structura membranei celulare a fost formu-lată pe baza informaţiilor furnizate de teoriile precedente (modelul paucimo-lecular, teoria "unităţii de membr ană", ană", teoria mozaicului fluid), completate cu date noi oferite în primul rând de microscopia electronică. S-a stabilit clar că structura fundamentală a membranelor celulare este reprezentată de un bistrat lipidic continuu, situat la periferia celulei, cu gr osimea osimea a două molecule lipidice, în care sunt interpuse molecule proteice integrale şi periferice. La nivelul celulelor există trei tipuri de membrane: membrana plasmatică, care delimitează celula şi intervine în:
metabolismul celulei, schimburile dintr e celule şi mediul extracelular, realizarea adezivităţii celulare şi a dispozitivelor joncţionale, imunitate, endomembrane care delimitează orga nitele (nucleul, reticulul complexul Golgi, mitocondriile, lizozomii, peroxizomii), membranele speciale, cum este teaca de mielină .
endo-plasmic,
În compoziţa chimică a membranelor celulare intră 30% apă, 70% sub -stanţe organice şi cantităţi foarte mici de substanţe anorganice. Din masa us -cată a membranelor, peste 90% o reprezintă lipidele şi proteinele (35 -40% lipide, 55-60% proteine), iar restul sunt glucide (19%).
Teaca de mielină conţine 80% lipide şi 20% proteine, în timp ce mem - brana brana internă a mitocondriei este alcătuită în proporţie de 75% din proteine. În structura membranei celulare: lipidele sunt localizate în totalitate în plasmalemă, glucidele sunt prezente doar în structura glicocalixului, pe frontul E (extern) al plasmalemei,
proteinele se găsesc sub formă de proteine globulare în plasmalemă şi ca proteine fibrilare (ce formează reţele fine) în glicocalix şi mai ales în citoscheletul membranei, apa este localizată în glicocalix, feţele hidrofile ale plasmalemei şi în citoscheletul membranei; în toate zonele îmbibate cu apă vor pătrunde ionii anorganici, substanţe cu rol funcţional foarte important.
Suprafaţa celulară cuprinde: plasmalema, partea centrală a membranei celulare, cu grosimea de 7,5 nm, observată prima dată la microscopul microscopul electronic, constituită din: o
stratul bimolecular lipidic
o
două straturi de proteine repartizate asimetric de -o parte şi de alta a bistratului lipidic, 5
glicocalixul (glicolema),
o structură glicoproteică cu grosimea de 50 nm ce acoperă faţa externă (frontul E) a plasmalemei, cortexul celular cu grosimea de 5- 9 nm, situat pe faţa internă (frontul P) al plasmalemei.
PLASMALEMA
Plasmalema: este com ponenta principală a membranei celulare, celulare, are o structură lipoproteică trilaminată cu grosimea de 7,5 nm : aspectul trilaminat este conferit de cele două foiţe întunecate
între care se află
o foiţă clară, are permeabilitate selectivă dată de distribuţia lipidelor şi proteinelor.
Lipidele, localizate în totalitate în bistratul lipidic sunt reprezentate de: fosfolipide: fosfatidilcolină, fosfatidiletanolamină, fosfatidilserină şi sfingomielină, colesterol, mai abundent în stra tul extern, împreună cu acizii graşi saturaţi, glicolipide, care predomină în stratul intern , împreună cu acizii graşi nesaturaţi .
Moleculele lipidice din plasmalemă au forma de cui, cu: un cap, numit grup polar, hidrofil (solubil în î n apă), purtător de sarcini electrice, două cozi, segmentul apolar, hidrofob (solubil doar în lipide), format din acizi graşi.
Având la un capăt grupările hidrofile , iar la celălalt pe cele hidrofobe, moleculele lipidice sunt molecule bimodale. bimodale.
Lipidele pot forma în soluţ ii apoase micelii sau agregate moleculare bi-stratificate la care partea hidrofilă poate forma cu apa legături de hidrogen (sau electrostatice), iar partea hidrofobă este orientată astfel încât să nu fie în contact cu mediul apos. În laborator se pot crea bistraturi lipidice artificiale, sub forma unor vezicule sferice, cu diametrul de 25 nm-1 μm, care poartă nu -mele de liposomi. Datorită acestor proprietăţi lipidele din membrană se dispun în bistrat cu o grosime de aproximativ 4 nm: cu partea hidrofilă (grupul polar) înspre exterior ul ul bistratului lipidic, cu partea hidrofobă înspre interiorul bistratului. astfel, zona centrală a bistratului lipidic este hidrofobă, iar cele două zone periferice hidrofile.
Datorită acestei distribuţii a lipidelor, permeabilitatea plasmalemei pentru diferite substanţe (molecule) este inegală: gazele şi solvenţii organici trec foarte uşor, glucidele, aminoacizii, acizii graşi trec lent, monozaharidele, monozaharidele, electroliţii trec foarte lent, proteinele, polizaharidele polizaharidele şi acizii nucle nucleici nu trec. 6
Bistratul lipidic:
prezintă o asimetrie asimetrie dată de compoziţia compoziţia chimică diferită a mono-straturilor, este fluid, iar moleculele sale pot efectua trei tipuri de mişcări: o o o
de condensare,
de deplasare laterală , "flip-flop", adică sar dintr -un -un strat în altul.
Proteinele: constituie cea de a doua c omponentă de bază a sunt de două tipuri: extrinseci sau periferice, o o intrinseci sau integrale.
plasmalemei,
Proteinele extrinseci se găsesc atât pe faţa plasmatică (P) cât şi pe cea externă (E), fiind mai numeroase însă pe faţa P. Cele de pe faţa plasmatică se mai numesc şi proteine membranare interne, iar cele de pe faţa externă, proteine membranare de suprafaţă. Proteinele intrinseci se extind în toată grosimea membranei, motiv pentru care se mai numesc şi proteine transmembranare sau proteine integr ale. ale. Aceste proteine pot delimita canale transmembranare prin care o serie de molecule hidrosolubile pot difuza între lichidul intracelular şi cel extracelular. Alte proteine structurale au funcţia de cărăuşi , sunt numite proteine carrier şi sunt implicate în transportul activ al unor substanţe.
Interacţiunile dintre moleculele lipidice şi cele proteice din plas -malemă sunt de joasă energie, de aceea moleculele proteice pot fi extrase re-lativ uşor. GLICOCALIXUL
Glicocalixul sau glicolema:
se afla pe faţa externă a plasmalemei , apare ca o structură fibrilară laxă la microscopul electronic, are grosimea de aproximativ 50 nm: nu este la fel de dezvoltat în cazul tuturor celulelor, o
o celulă poate prezenta zone cu grosime diferită a glicolemei, chiar zone în care aceasta lipseşte: în cazul celulelor epiteliale, glicocalixul acoperă polul apical , pe când la polul bazal lipseşte, aici aici aflându-se membrana ba-zală, prezintă două componente: o internă mai puţin densă, cu grosimea de 20 nm şi care poartă nu -mele de înveliş de suprafaţă, o externă, ceva mai densă, cu grosimea de 30 nm, numită lamina externă. o
Din punct de vedere chimic, glicocalixul este alcătuit în principal din glicoproteine. Structura sa prezintă o ţesătură delicată şi laxă de lanţuri pro -teice pe care sunt ancorate 7
reziduuri glucidice. Partea proteică este repre -zentată de proteinele extrinseci ale plasmalemei, care se prelungesc pe lun-gimi diferite în glicocalix. Partea glucidică este reprezentată de fragmente oligozaharidice formate în principal din galactoză şi cantităţi mici de manoză, fructoză, glucoză, etc. Între glicocalix şi matricea extracelulară nu se poate trasa o linie clară de demarcaţie deoarece ele se întrepătrund, iar în compoziţia ma tricei extra-celulare se găsesc molecule glucidice asociate cu proteine, formând proteo -glicani şi glicoproteine. Glicocalixul intervine în:
controlul schimbului ionic transmembranar,
facilitarea recunoaşterii şi interacţiunii intercelulare, aderenţa intercelulară, acţionând ca un ciment intercelular, ataşarea celulelor la comp onentele matricei extracelulare, legarea şi ataşarea antigenelor şi enzimelor la suprafaţa celulară. CORTEXUL CELULAR
Cortexul celular: este componenta cea mai subţire a suprafeţei celulare, are grosimea de aproximativ 5-9 nm, are aspect de reţea : la microscopul electronic apare ca o reţea anastomotică de micro -filamente o proteice (actină) orientate neregulat, nodurile reţelei sunt rep rezentate de proteine globulare, o legăturile dintre diferitele tipuri de proteine sunt modulate prin procese de gelsolinei, o proteină reglatoare calciu fosforilare şi prin intermediul gelsolinei,
dependentă, se ancorează de plasmalemă prin intermediul capătului intern al pro -teinelor extrinseci, iar pe de altă parte este în legătură legătură cu citoscheletul, conferă membranei elasticitate şi rezistenţă : o elasticitatea este dată de dispoziţia microfilamentelor proteice sub formă de reţea, o rezistenţa este asigurată de proteinele globulare ce se află la nivelul nodurilor reţelei proteice, intervine şi în mecanismul de recepţie -transducţie care mediază trans -ferul prin membrana celulară a unor semnale ajunse la celulă din ex -terior.
RECEPTORII DE MEMBRANĂ Receptorii sunt proteine specializate dispuse
în structura me mbranei celulare, cu ajutorul cărora celula interceptează mesaje sau semnale sosite la nivelul ei pe cale umorală sau nervoasă. Aceste mesaje sunt reprezentate de molecule-semnal numite liganzi liganzi care ajunse la
receptorii celulari se leagă specific de aceştia, determinând un răspuns din partea celulei. 8
Liganzii sau mesagerii de ordinul I sunt produşi de celule specializate şi acţionează specific asupra unor celule "ţintă" . În funcţie de originea substanţelor cu care receptorii sunt capabili să se cupleze, deosebim: rece ptori pentru substanţe substanţe endogene, receptori pentru substanţe exogene.
Receptorii pentru pentru substanţe endogene endogene sunt: receptorii pentru neurotransmiţători, aşezaţi pe faţa externă a membra -nei postsinaptice a neuronilor sau a celulelor musculare: ex. receptorii ex. receptorii pentru acetilcolină, noradrenalină, serotonină, dopa -mină, histamină, acid -aminobutiric, acid glutamic, encefalină, receptorii pentru hormone: ex. insul ex. insulină, glucagon, adrenalină, receptorii pentru antigene endogene, de la suprafaţa celulelor implicate în răspunsul imun: ex. ex. receptorii de la sup rafaţa limfocitelor T, codificaţi genetic pentru recunoaşterea celulelor proprii organismului (self), receptori pentru anticorpi: ex. pentru IgE de la suprafaţa leucocitelor bazofile şi a mast o-citelor, receptorii pentru FC a IgG de pe suprafa ţa fagocitelor, receptorii pentru complement, pe suprafaţa mem mem branei celulelor fago-citare, ex. cei pentru componenta C3 a sistemului complementului, receptorii pentru glicoproteine. Receptorii pentru substanţe exogene exogene sunt: receptorii pentru virusuri, recunos tipuri diferite de virusuri, receptorii pentru antigene, sunt aşezaţi pe suprafaţa celulelor
imuno -competente şi
sunt asemănători imunoglobulinelor, receptorii pentru toxine microbiene, situaţ i la suprafaţa celulelor din diferite ţesuturi, receptorii pentru substanţe substanţe medicamentoase, medicamentoase,
receptori pentru lectine (fitohemaglutinina, concanavalina-A). .
Mecanismul de acţiune al receptorilor Ligandul sosit la nivelul membranei unei celule ţintă se va cupla cu re-ceptorul lui specific, pentru o anumită perioadă de timp, fără să pătrundă în celulă. El constituie pentru celulă un mesager şi în funcţie de mesajul pe care îl conţine, va declanşa o serie de evenimente la nivelul acesteia. Evenimentele complexe
ce au ca finalitate modificări ale metabolismu -lui celulelor ţintă, se derulează în trei etape şi anume: recunoaşterea recunoaşterea şi ataşarea liganzilor la receptori , transferul semnalului prin membr ana ana celulară, iniţierea unui răspuns biochimic în interiorul celulei. 9
Recunoaşterea şi ataşarea liganzilor la receptori au ca rezultat formarea complexelor ligand-receptor, care induc la nivelul membranelor celulei două tipuri de modificări: structurale, ce structurale, ce se traduc în general prin agregarea re ceptorilor de la supr afaţa afaţa celulei în zone restrânse numite "plaje", atunci când "plajele" sunt mai dezvoltate, poartă denumirea de "cupolă" , funcţionale, dependente de natura ligandului: o modificări de permeabilitate ale membranei, determinate în special de liganzii din categoria neurotransmiţătorilor (ex. acetilcolina), o inducerea endocitozei, când ligandul este vehiculat pe cale umo-rală, o pătrunderea de de ioni din mediul extracelular extracelular , o activarea unor enzime din membrana celulară, dacă liganzii sunt hormoni, neurotransmiţători sau diverse droguri. MOLECULELE DE ADEZIUNE
Moleculele de adeziune sunt proteinele exprimate la suprafaţa mem -branelor celulare, capabile să asigure o adeziune selectivă (specifică) între două celule sau între o celulă şi matricea extracelulară (membrana bazală (membrana bazală sau ţesutul ţesutul de susţinere). Selectivitatea unei molecule de adeziune este dată de capacitatea sa de a interacţiona cu un număr limitat de molecule numite liganzi. Moleculele de adeziune joacă două posibile roluri în organism: structural, prin asigurarea coeziunii ţesuturilor , funcţional tranzitor (limitat doar la perioada inducerii procesului) dând posibilitatea unei celule de a efectua o funcţie biologică determinată. Proprietatea fundamentală a proteinelor de aderenţă este de a pune în relaţie me diile intracelular şi extracelular. Astfel, recunoaşterea ligandului extracelular de către molecula de adeziune antrenează producerea de infor -maţii destinate restului celulei şi susceptibilitatea de a modifica structura sau funcţiile acesteia. Aceste proprietăţi ale moleculelor de aderenţă se realizează datorită sistemelor transmembranare de transducţie, sisteme membranare specializate în transformarea unei -un mesaj intracelular recu-noscut de către celule. informaţii extracelulare într -un Influenţa moleculelor de aderenţă asupra mediului intracelular este a -sigurată prin relaţia lor cu citoscheletul, ca în cazul moleculelor de aderenţă implicate în aderenţa structurală sau prin capacitatea lor de a produce mesa- geri intracelulari, cum se întâmplă în cazul numeroaselor proteine implicate în aderenţa funcţională. Moleculele de aderenţă sunt grupate în cinci familii principale: cade -rinele, imunoglobulinele, integrinele, selectinele, moleculele CD44.
Caderinele: sunt o familie formată din numeroase molecule, p rincipalele sunt: caderina-E, prezentă în toate epiteliile, o o caderina- N, N, caracteristică ţesuturilor nervos şi muscular, o caderina-P pr ezentă ezentă în mezoteliu şi epiderm, sunt glicoproteine monomerice ce asegura prin: 10
o o
domeniul extracelular , aderenţa int ercelular ă dependentă de calciu, domeniul intracitoplasmatic asociere la microfilamentele de citoscheletului.
actină ale
Imunoglobulinele:
sunt caracterizate de prezenţa unuia sau mai multor domenii de struc -tură moleculară caracteristică (legături antiparalele stabilizate prin punţi de sulf), cuprind numeroas e molecule cu funcţii foarte di verse:. unele joacă un rol major în răspu nsul imun: o
o
imunoglobuline, moleculele HLA, receptori antigenici ai limfocitelor T, altele sunt molecule de aderenţă ca re se pot grupa în: familia N-CAM (neural cell adhesion molecule), care joacă un r ol ol im portant în embriogeneză şi care sunt exprimate în ţesut ţ esutul nervos la adult, familia antigenelor carcinoembrionare, proteinele de aderenţă endotelială reprezentate de I -CAM1 (intercellular adhesion molecule 1), I- CAM2 (intercellular adhesion molecule 2) şi V -CAM (vascular cell adhesion molecule), proteinele de aderenţă leucocitară CD2.
Integrinele sunt caracterizate printr-o structură heterodimerică şi pre-zintă două lanţuri
ß. Natura lanţurilor ß permite clasificarea integrinelor în trei subfamilii principale, cu distribuţie celulară şi cu funcţii particulare. Integrinele ß1 şi ß3 sunt principalele proteine implicate în adeziunea celulelor la matricea extracelulară. Integrinele ß2 sunt caracteristice leucocitelor şi sunt implicate în interacţiunile funcţionale c u endoteliul. Prin domeniul lor intracitoplasmatic integrinele sunt asociate microfilamentelor de actină ale citoscheletului.
Selectinele sunt: glicoproteine monomerice transmembranare, reprezentate de trei molecule: o E-selectina şi P-selectina exprimate la nivelul celulelor endoteliale, o L-selectina, specifică unei subpopulaţii de limfocite.
implicate în aderenţa leucocitelor circulante la celulele endoteliale.
Moleculele CD44 sunt glicoproteine de suprafaţă reprezentate de 10 molecule isomorfe implicate în aderenţa intercelulară şi aderenţa celulelor la l a matricea extracelulară.
11
JONCŢIUNILE CELULARE Pentru menţinerea integrităţii ţesuturilor ce sunt supuse unor solicitări mecanice ( ex. ţesuturile epiteliale) este necesară solidarizarea celulelor care le constituie. În acest scop, celulele sunt prevăzute cu dispozitive care le asigură ataşarea unele de altele, în strat compact. Aceste dispozitive, care asigură solidarizarea celulelor între ele sunt joncţiunile celulare.
După gradul lor de complexitate, joncţiunile celulare celulare se împart în: joncţiuni simple; joncţiuni speciale.
Joncţiunile simple:
sunt legaturi foarte slabe,
se realizează atunci când între membranele a două celule alăturate există o distanţă de cel mult 30 nm: rămâne un spaţiu intercelular lichidului intercelular,
îngust care nefiind închis va per -mite circulaţia
sunt asigurate de forţe fizice care ţin de atracţia moleculară sau de legături chimice realizate de anumitre substanţe prezente în glico -calixul celulelor: o forţe van der Waals, o punţi de hidrogen, hidrogen,
Joncţiunile speciale sunt dispozitive de legătură care asigură o ataşare a celulelor mult mai puternică în comparaţie cu joncţiunile simple. În raport cu dispoziţia pe suprafaţa celulei întâlnim două tipuri de joncţiuni speciale: zonulae, formaţiuni în formă de panglică sau bandă, care înconjoară ce lula ca un b râu, având o dispunere continuă, maculae, formaţiuni circumscrise, în formă de buton, pată, spot, cu dis -punere discontinuă. După modul de ataşare al celulelor între ele, joncţiunile speciale se îm - part part în: joncţiuni ocludente, impermeabile sau "tight junction", care leagă celu -lele între ele şi o bliterează spaţiul intercellular, intercellular, joncţiuni de ancorare, ancorare, care leagă celulele celulele între ele, asigurându asigurându -le rezis-tenţă la acţiunea unor factori mecanici,
joncţiuni de comunicare, gap sau nexus, care asigură trecerea unor mo -lecule dintr-o celulă în alta.
Joncţiunile ocludente ocludente (zonulae occludens): sunt dispuse pe marginile laterale, în treimea apicală a celulelor epiteliale ce delimitează lumenul unor organe, formează un cordon circumferenţial complet, ca un brâu, în jurul fiecărei
celule, se realizează prin fuzionarea unor proteine (ocludine, claudine) membranele plasmatice ale celulelor alăturate, punctele lor de sudură sunt separate de mici spaţii interstiţiale. 12
prezente în
se pot întinde pe o distanţă de 600 nm în care alternează por -ţiuni de membrană fuzionate, cu porţiuni nefuzionate. În zona de joncţiune spaţiul intercelular este închis pentru a nu permite trecerea substanţelor. Joncţiunile ocludente se realizează între celulele care alcătuiesc epitelii impermeabile. Astfel, în cazul epiteliului din intestinul subţire, joncţiunile o -cludente sunt dispuse înspre polul apical al enterocitelor, împiedicând pă -trunderea prin spaţiul intercelular a conţ inutului din lumenul intestinal, ab- sorbţia se va realiza selectiv, transcelular.
Joncţiunile de ancorare asigură stabilitatea mecanică a grupurilor de celule. De -a lungul suprafeţei interne a membranelor celulare există un cor tex celular (ce face parte din citoschelet) dispus sub formă de reţea, alcătuit din filamente citoscheletale de actină, legate între ele prin intermediul unei pro-teine numită filamină. Această reţea se leagă de reţeaua similară a celulei învecinate prin intermediul unor proteine intercelulare de legătură. Joncţiunile de ancorare sunt de mai multe tipuri: joncţiuni aderente aderente (zonulae adherens); adherens);
desmozomi (maculae adherens); hemidesmozomi.
Joncţiuni aderente aderente (zonulae adherens) adherens): sunt situate în treimea apicală a celu lelor, sub joncţiunile ocludente membranele celulelor învecinate s unt foarte apropiate (15-20 nm), se dispun sub formă de benzi de filamente de actină ce înconjoară circumferenţial celula la interior, în citoplasmă, solidarizarea reţelelor filamentelor de actină din celulele învecinate se realizează prin intermediul unei proteine de ade -rare numită caderină . Astfel de joncţiuni sunt prezente şi la nivelul discurilor intercalare (care sunt complexe joncţionale) existente existente între fibrele musculare musculare cardiace. Desmozomii (maculae adherens):
sunt joncţiuni puternice în formă de buton, se formează între membranele celulelor aflate la 25-30 nm, în spaţiul intercelular există o substanţă proteică granulară, cu o condensare centrală de natură glucidică, prezintă două discuri dense în citoplasma celulelor adiacente: constituite din proteine numite desmoplakine şi placoglobine, la ele sunt conectate reţelele de fi lamente intermediare de che-ratină numite tonofilamente, ce aparţin citoscheletului prezintă proteine transmem branare desmogleine şi desmocoline, cu rol de "linkeri", care leagă discurile din două celule învecinate
Desmozomii solidarizează între ele, celulele epiteliiilor stratificate (epiderm, epiteliul mucoasei bucale, esofagiene), împotriva forţelor de frecare ce acţionează as upra lor, iar la nivelul miocardului menţin ataşate capetele celulelor musculare pentru a nu se îndepărta în timpul contracţiei. 13
sunt joncţiuni de ancorare sub forma unor jumătăţi de desmozomi, asigură contactul regiunii b azale a celulelor epiteliale cu mem- brana brana (lamina) bazală. Prezintă în structura lor o placă citoplasmatică de care se ancorează reţeaua de tonofilamente de la polul bazal al celulelor epiteliale, iar legarea sa de membrana bazală se realizează prin Hemidesmozomii
intermediul unor gli-coproteine transmembranare.
Celulele supuse acţiunii unor factori me canici, cum sunt celulele epi-teliale ale epidermului sau cele ale colului uterin, preuintă numeroşi desmo -zomi şi hemidesmozomi. (nexus sau gap junctions): junctions ): Joncţiunile de comunicare comunicare (nexus conectează membranele membranele laterale ale celulelor, spaţiul intermembranat este îngust de 2 -3 nm, asigură transferul direct de substanţe (ioni, ATP) de la o celulă la alta, sunt realizate de nişte formaţiuni numite conexoni, conexoni, străbat atât membranele celulelor adiacente, cât şi spaţiul dintre ele, asigurând comunicarea între citoplasmele celor două ce -lule, fiecare conexon este alcătuit din şase subunităţi proteice în formă de bastonaşe, dispuse sub formă de inel, delimitând la mijloc un canal de com unicare, cu diametrul reglabil, între 0,4-2 nm.
Complexele joncţionale sunt asocieri de două sau mai multe tipuri de joncţiuni ce se stabilesc între celulele alăturate. La nivelul epiteliilor simple cubice şi s imple prismatice, aceste com-plexe joncţionale sunt dispuse de regulă în treimea apicală a membranelor celulelor învecinate şi ele cuprind joncţiuni ocludente (zonulae occludens), sub care se dispun joncţiuni aderente (zonulae adherens), urmează apoi desmo -zomii (maculae adherens), iar apoi joncţiu ni de comunicare (gap junctions).
Între celulele musculare cardiace adiacente apar discurile intercalare, numite şi strii Eberth, care sunt de asemenea complexe joncţionale. Discurile intercalare sunt constituite din fascia adherens, desmozomi şi joncţiuni gap. Întotdeauna între celule se stabilesc acele joncţiuni sau complexe jonc -ţionale care sunt necesare celulelor respective pentru îndeplinirea funcţiilor lor specifice.
14
SCHIMBURILE PRIN MEMBRANA CELULARĂ Între celulă şi mediul extracelular există relaţii permanente concretizate prin comunicări şi schimburi de substanţe, care sunt posibile datorită perme-abilităţii selective a membranei celulare.
Membrana celulară este constituită dintr -un bistrat lipidic şi molecule pro teice care plutesc în aceste lipide. Multe dintre moleculele proteice pene-trează bistratul lipidic. Permeabilitatea selectivă a membranei celulare se da -torează permeabilităţii reduse a bistratului lipidic (care nu este miscibil cu fluidele intra sau extr acelulare), acelulare), dar care datorită proteinelor ataşate, ce între î ntre-rup continuitatea bistratului lipidic este mărită şi făcută selectivă. Multe molecule proteice penetrante sunt proteine de tr ansport. Pr otei otei nele de tr anspor ansportt trans tran smembr membr anar
Există mai multe tipur i de proteine de transport transmembranar: ATP-azele, care funcţionează ca pompe pompe de transport a ionilor prin membrane, împotriva gradientului de concentraţie chimică sau a gra -dientului de potenţial electric, utilizând energia rezultată prin hidroliza ATP, proteinele canal , pasaje care atunci când sunt deschise ca răspuns la semnale specifice, permit trecerea prin membrane a moleculelor de apă sau a unor tipuri specifice de ioni, proteinele cărăuş
(carrier), care spre deosebire de proteinele canal, leagă mo leculele transportate, după care prin modificarea lor con -formaţională vor elibera molecula legată pe partea opusă a membranei. Atât proteinele canal cât şi proteinele cărăuş prezintă o mare selec -tivitate privind tipul (sau tipurile) de molecule sau ioni cărora le permit traversarea membranei membranei celulare. Permeabilitatea selectivă selectivă, o proprietate fundamentală a membranei ce -lulare, permite: intrarea în celule a unor molecule esenţiale (glucoză, lipide, amino -acizi), menţinerea în celulă în concentraţii constante a metaboliţilor in terme-diari şi a electroliţilor,
eliminarea din celule a:
substanţelor active metabolic (enzime, hormoni), o deşeurilor rezultate în urma proceselor metabolice, crearea unui mediu adecvat desfăşurării activităţii enzimatice, prin menţinerea pH-ului şi a compoziţiei ionice, reglarea volumului celular ca urmare a relaţiilor osmotice dintre celulă şi mediul o
extracelular,
crearea gradienţilor ionici necesari excitabilităţii celulelor nervoase şi musculare. Organitele celulare prezintă şi ele un mediu intern având caracteristici diferite de cele ale citosolului înconjurător, menţinerea acestor diferenţe da -torându-se endomembranelor. Prin acest mecanism se asigură celulei un control permanent al compo -ziţiei mediului ei intern, cu un î nalt grad de specificitate. Schimbul de substanţe prin membrana celulară implică mai multe meca nisme de
transport. 15
Diferitele tipuri de transport iau în considerare:
dimensiunile moleculelor transportate: ionii şi moleculele mici traversează structurile membranei celulare prin difuziune sau cu ajutorul proteinelor membranare, macromoleculele şi particulele sunt transportate prin vezicule delimitate de membrane, consumul de energie: energie : transportul pasiv, prin care moleculele sunt transportate în sensul gradi entului de concentraţie sau a gradientului elec trochimic, se realizează fără consum de energie, transportul activ, împotriva gradientelor de concentraţie sau electrochimic, se
realizează cu consum de energie rezultată prin hidroliza ATP.
TRANSPORTUL PASIV
Transportul pasiv:
asigură traversarea membranei celulare de către unele molecule mici, în sensul gradientului de con centraţie sau al gradientului electrochimic în cazul ionilor, i onilor, se realizează fără consum de e nergie, deci nu este dependent de me-tabolismul celular, se poate realiza prin două modalităţi: difuziunea simplă, o o difuziunea facilitată.
Difuziunea simplă se desfăşoară lent, respectând legile difuziunii şi ale osmozei, se realizează diferit în funcţie de natura chimică a moleculelor. moleculele mici neionizate dar liposolubile vor străbate stratul bimolecular lipidic, o pr oporţional posolubilitate oporţional cu gradul lor de li posolubilitate oxigenul, azotul, dioxi dul de carbon şi alcoolii, au o mare liposolubilitate. moleculele de apă trec cu ajutorul unor proteine transmembranare numite aquaporine, moleculele hidrosolubile, dacă sunt suficient de mici, trec prin protei -nele canal. Proteinele canal canal :
sunt proteine transmembranare cu rol în difuziunea simplă, simpl ă, prezintă canale canale cu două extremităţi orientate una extracelular, iar cealaltă intracelular, această organizare structurală permite moleculelor să treacă prin difuziune simplă, în mod direct prin aceste canale, de pe o parte a membranei, pe partea opusă.
Caracteristicile proteinelor canal sunt următoarele: au per meabilitate meabilitate selectivă pentru anumite molecule, canalele pot fi închise sau deschise prin porţi. 16
Permeabilitatea selectivă a proteinelor canal, adică selectivitatea pentru transportul unuia sau mai multor ioni sau m olecule se datorează unor carac teristici ale canalului: diametrul, f orma orma şi tipul încărcăturii electrice de-a lungul suprafeţei sale interne. O importanţă deosebită o prezintă proteinele canal specializate în trans portul selectiv al unor ioni, proteinele canal de ioni: proteinele canal de sodiu permit trecerea selectivă selectivă a ionilor de sodiu sodiu (Na): au diametrul canalelor de aprox. 0,3-0,5 nm, o o au suprafaţa internă încărcată negativ şi astfel exercită o puternică forţă de atracţie, proteinele canal cu selectivitate pentru transportul ionilor de potasiu (K ): au diametrul canalelor de aproximativ 0,3 nm, o
suprafaţa lor internă nu este încărcată negativ, proteinele canal pentru ionul de calciu (Ca2) şi pentru ionul de clor (Cl‾). o
Porţile proteinelor canal: sunt extensii în formă de poartă ale moleculelor acestor proteine, se închid şi se deschid lor prin modificarea conformaţiei proteinelor canal: o poarta proteinelor canal de sodiu, se închide şi se deschide la exteriorul membranei o
celulare, poarta proteinelor canal pentru ionii de potasiu, interiorul membranei celulare.
se închide şi se deschide la
În funcţie de mecanismul de închidere şi deschidere a porţilor există: porţi comandate voltaj, comandate de voltaj, conformaţia lor moleculară este dependentă de val oarea po-tenţialului de membrană, porţi comandate chimic (de liganzi), comandate chimic (de modificarea lor confor maţională maţională se produce în urma legării unei molecule semnal de proteina canal.
În cazul difuziunii simple, sensul de de plasare al moleculelor prin mem brană este dinspre faţa cu concentraţie mai mare, înspre cea cu concentraţie mai mică, până la egalizarea concentraţiilor. Cu cât diferenţa de concentraţie a moleculelor existente de o parte şi de cealaltă a membranei este mai mare, cu atât rata lor de difuziune este mai ridicată. Rata de difuziune este mult influenţată de mărimea moleculelor. Astfel, moleculele mai mici de 0,8 Kdal trec uşor prin membrană, pentru ca rata de difuziune să scadă direct proporţional cu creşterea dimensiunii moleculelor.
Difuziunea facilitată:
este un tip de transport transmembranar pasiv prin care unele substanţe greu solubile în lipide şi cu masă moleculară relativ mare ( ex. glucoză, aminoacizi, purine, glicerol),
străbat membrana celulară mult mai repede (de 100.000 ori) decât prin difuziune simplă, se realizează cu ajutorul unor molecule molecule proteice transmembranare cu rol de "cărăuşi": 17
preiau substanţele
de pe o faţă a membranei, le trec prin membrană, apoi le eliberează pe faţa opusă.
Mecanismul prin care se realizează acest tip de transport transmembra -nar s-ar putea explica prin existenţa la nivelul canalului proteinei cărăuş, a unui situs de legare pentru molecula care urmează a fi transportată. Aceasta va pătrunde în canal şi va fi legată la nivelul situsului. Proteina cărăuş va suferi o modificare conformaţională, iar canalul său se va deschide pe partea opusă a membranei celulare. Pentru că forţa de legare a moleculei transpor tate tate de situs este slabă, aceasta va fi eliberată pe partea opusă a membranei. Prin difuziunea facilitată sunt transportate molecule, cum sunt glucoza şi unii aminoacizi. Molecula cărăuş pentru glucoză poate transporta şi alte monozaharide cu structură asemănătoare, asemănătoare, cum este galactoza. Transportul prin difuziune facilitată se efectuează în sensul gra -dientului de concentraţie, rata de difuziune creşte până atinge un maximum (Vmax.), fiind limitată de rata modificărilor conformaţionale a moleculelor cărăuş. TRANSPORTUL ACTIV
asigură trecerea foartee rapidă prin membrană a unor molecule şi ioni, împotriva gradientului de concentraţie sau al celui el ectro-chimic. Acest tip de transport se realizează cu consum de energie. Modul de furnizarea a energiei utilizate a condus la descrierea a două tipuri de trans port activ: transport activ propriu-zis sau transportul activ primar, în care este utilizată ene rgia rezultată din hidroliza ATP; cotransportul sau transportul activ secundar, în care energia necesară transportului unor ioni sau molecule împo triva gradientului este fur-nizată de transportul pasiv al Transportul activ
altor ioni sau molecule.
TRANSPORTUL ACTIV PROPRIU-ZIS
Pentru menţinerea gradientului ionic intracelular este necesară trecerea ionilor prin membrane, de cele mai multe ori împotriva gradientului de con -centraţie sau al celui electrochimic. Acest tip de transport este realizat de unele protein-enzime din plasmalemă, numite pompe ionice, care au capacitatea de a cupla transportul împotriva gradientului de concentraţie sau al celui electrochimic, cu hidroliza ATP . Există pompele ionice care ex. pompa de Ca 2, pompa de Mg 2) sau concomitent doi ioni (ex. ( ex. transportă un singur ion ( ex. pompa pompa de Na - K ). POMPELE IONICE
Până în prezent se cunsc trei clase de protein -enzime care cuplează transportul unor ioni cu hidroliza ATP: pompe ionice (ATP-aze) P, 18
pompe ionice (ATP-aze) V, pompe ionice (ATP-aze) F. Toate aceste trei clase de ATP-aze prezintă la nivelul feţei interne membranei, unul sau mai multe situsuri de legare a ATP- ului, care însă va fi
(citosolice) a hidrolizat (cu producerea de ADP, fosfat anorganic şi eliberarea de energie), doar în prezenţa ionului transportat. Pompele ionice din clasa P au
structura cea mai simplă, constituită din patru subunităţi transmembranare, două polipeptide şi două polipeptide . Se crede că ionii transportaţi trec prin subunitatea . În această clasă de pompe ionice su nt incluse: Na-K ATP-aza, care se găseşte în membrana plasmatică ; Ca2 ATP-azele, care se găsesc: în membrana plasmatică, unde transportă ionii de calciu (Ca 2) afa-ră din celulă; în membrana reticulului sarcoplasmic (la nivelul fibrei musculare striate ), unde are rolul de a pompa ionii de calciu din citosol în lu -menul acestui organit, urmată de relaxarea musculară; pompe transportoare de protoni (ioni de H ) care se găsesc în celulele care secretă acid, la nivelul mucoasei gastrice şi a celulelor tubi lor con-torţi distali şi colectori din rinichi. H-K ATP-aza care se găseşte în ce lulele epiteliale ale mucoasei gastrice are rolul de a transporta protoni (H ) în exteriorul celulei şi ionii de potasiu (K ) în citosol. Activitatea pompei de protoni la ni velul celulelor parietale ale mucoasei gastrice stă la baza secreţiei secreţiei de acid clorhidric de la acest nivel. nivel. au structura constituită din aproximativ 7 subunităţi (lanţuri polipeptidice). Rolul lor este de a transporta împotriva gradientului electrochimic ionii de hidrogen (protonii). H ATP-azele se gă -sesc în membrana plasmatică a unor celule secretoare de acid (ex. (ex. osteoclas-tele din ţesutul osos), dar şi în membrana lizozomilor şi Pompel Pompel e i oni ce din clasa V
endozomilor, sau a vacuolelor unor celule vegetale sau a unor fungi, unde au rolul de a
menţine un pH acid în lumenul acestora. au o structură asemănătoare cu cea a H ATP-azelor, fiind constituite din 8 lanţuri polipeptidice. Rolul lor este de a cupla transportul ionilor de hidrogen cu hidroliza ATP. Au fost identificate în membrana mitocondriilor, a cloroplastelor şi în membrana plasmatică a bacteriilor. Recent a fost identificată a patra clasă de proteine de transport cu acti -vitate ATPazică, implicate în transportul activ al unor medicamente. Este cunoscută o glicoproteină din membrana plasmatică (P170), care transportă diferite medicamente din citosol în spaţiul extracelular, împotriva gradien-tului de concentraţie, utilizând energia furnizată de hidroliza ATP. Această proteină, cunoscută ca P170, este responsabilă de rezistenţa celulelor maligne la acţiunea diferitelor chimioterapice, indiferent de concentraţia lor. Pompel Pompel el e i oni ce din clasa F
19
POMPA DE SODIU - POTASIU (Na -K ATP-aza)
Dintre pompele ionice, cea mai importantă pentru activitatea celulară este pompa Na K . Prezentă în toate celulele organismului această pompă are rolul de a menţine diferenţele de concentraţie ale ionilor de sodiu şi potasiu, de -o parte şi de alta a membranei celulare, de a menţine potenţialul electric negativ în interiorul celulei. Prin activitatea sa, pompa de sodiu- potasiu potasiu controlează volumul celular. Lipsa activităţii acestei pompe ar determina tumefierea celulelor, până la l a dis trugerea lor. Concentraţia ionilor de Na din citoplasmă este mult mai mică decât în mediul extracelular, de aceea pentru buna desfăşurare a activităţii celulare a -ceştia trebuie să fie scoşi permanent din celulă. Ionii de K se află în con-centraţie de 15 ori mai mai mică în mediul extracelular decât în citoplasmă, dar vor fi introduşi în permanenţă în celulă. Astfel, ieşirea din celulă a ioni lor de Na se face împotriva gradientului de concentraţie şi împotriva poten ţialului electric, iar intrarea ionilor de K în citoplasmă din mediul extracelu -lar se face în sensul gradientului electric, dar împotriva gradientului de con -centraţie. Transportul acestor ioni (Na şi K ) prin membrană, împotriva gradien-tului de concentraţie, este realizat de Na -K ATP-ază, care în prezenţa ioni -lor de Na şi K şi a unei concentraţii corespunzătoare corespunzătoare de ioni de Mg 2 hi-drolizează ATP-ul. Na-K ATP-aza este un tetramer ce prezintă două subunităţi şi două subunităţi . Subunitatea prezintă: trei situsuri pentru legarea ionilor de Na , în porţiunea care pătrunde în celulă, două situsuri de legare pentru ionii de K , situate în porţiunea externă, porţiune cu activitate ATP-azică, situată în porţiunea internă, în veci -nătatea situsurilor pentru ionii de Na . Legarea ionilor de Na la nivelul celor trei situsuri, va determina acti-varea funcţiei ATP-azice a pompei, cu producerea hidrolizei ATP. Va re zulta astfel energia necesară modificării conformaţionale a pompei de sodiu- potasiu, potasiu, care va permite ieşirea ionilor de Na
şi pătrunderea ionilor de K în citoplasmă. Hidroliza unei molecule de ATP va furniza enegia necesară pătrunderii în celulă a doi ioni de K şi expulzării a trei ioni de Na .
2
POMPA DE CALCIU (Ca
Ionii de Ca2
ATP-aza)
din citosol sunt într -o concentraţie de 10.000 de ori mai mică decât în spaţiul exrtracelular. Concentraţia scăzută a ionilor de Ca 2 liberi de la nivelul citosolului este menţinută prin activitatea pompelor de calciu: din membrana celulară, care pompează ionii de Ca 2 în spaţiul extrace-lular; din membranele reticulului sarcoplasmic (în cazul celulelor musculare striate) şi mitocondriei, care pompează ionii de Ca 2 din citosol în inte -riorul acestor organite. În activitatea pompei de Ca 2 din membrana plasmatică este foarte im -portantă o proteină din citosol numită calmodulină. Concentraţia Concentraţia mare a i o-nilor de Ca2 din citosol 20
determină legarea calciului de calmodulină, care va suferi o modificare conformaţională şi se va lega de Ca2 ATP-ază. În acest mod Ca 2 ATP-aza va fi activată şi va elimina ionii de Ca 2 în spaţiul ex-tracelular. La nivelul celulelor musculare, eliberarea ionilor de Ca2 în citosol este urmată de contracţie, iar prin activitatea Ca 2 ATP-azei, ionii de Ca2 din ci-tosol vor fi pompaţi în interiorul reticulului sarcoplasmic, urmarea fiind relaxarea musculară. Pentru desfăşurarea activităţii pompei de Ca2 este nece-sară prezenţa ionilor de Mg2. La nivelul suprafeţei citosolice Ca 2 ATP-aza are o mare afinitate pen-tru ionii de Ca2. Un singur polipeptid , prin hidrloliza unei molecule de ATP, poate transporta doi ioni de Ca2. Reticulul sarcoplasmic conţine două proteine, calsequestrina şi pro-teina de legare cu mare afinitate pentru calciu, calciu, care au capacitatea de a lega ionii de Ca2. Astfel, scade concentraţia ionilor liberi de Ca 2 din reticulul sarcoplasmic, iar cantitate de energie necesară pentru pomparea lor din citosol scade. COTRANSPORTUL
ex. gluco-za, Cotransportul este modalitatea de transport a unor substanţe ( ex. aminoacizii) în citosol, împotriva gradientului de concentraţie, utilizând pentru aceasta energia stocată în gradientul transmembranar al ionilor Na sau H. Transportul activ al ionilor de Na din citosol determină excesul acestor ioni la nivelul spaţiului extracelular. Ionii de Na, în exces în spaţiul extracelular, au tendinţa de a pătrunde în citosol (gradientul de concentraţie stochează energie), iar energia de difuziune a aces tor ioni poate fi utilizată pentru transportul în celulă şi a unor substanţe cum sunt glucoza sau aminoa-cizii. Ionii implicaţi în acest tip de transport poartă numele de ioni cotra ns- portaţi. portaţi. Există două tipuri de cotransport: simportul, când moleculele se deplasează în aceeaşi direcţie cu ionul co transportat, antiportul în care moleculele se deplasează în direcţie opusă ionului co transportat. transportat. SIMPORTUL
Prin simportul Na -glucoză
şi Na-aminoacizi se realizează transportul împotriva gradientului de concentraţie a glucozei şi aminoacizilor din lume -nul intestinului subţire în citoplasma enterocitelor şi a glucozei din lumenul tubilor uriniferi în citoplasma nefrocitelor. Simportul Na - glucoză glucoză. La nivelul regiu nii apicale, prevăzută cu mi -crovili a membranei plasmatice se află o proteină de transport ce realizează simportul ionului de Na şi al glucozei. Proteina de transport prezintă un si tus de legare pentru ionul de Na şi unul pentru glucoză, iar energia necesară transportului este furnizată de diferenţa de concentraţie a ionului de Na de-o parte şi de alta a membranei plasmatice. După ataşarea ionului de Na şi a glucozei, proteina de transport va suferi o modificare conformaţională, care va permite pătrunderea Na şi a glucozei în citosol. Simportul Na-glucoză se realizează şi la polul apical al membranei plasmatice (cu microvili) a nefrocitelor din tubii uriniferi.
21
Simportul Na -aminoacizi se participarea altor proteine de transport.
-un mecanism identic, dar cu realizează printr -un
În citosolul enterocitelor se acumulează ioni de Na , glucoză şi ami -noacizi. În regiunea bazolaterală a membranei plasmatice a enterocitului se află Na -K ATP-aza prin activitatea căreia ionii de Na sunt pompaţi în spa-ţiul extracelular. Tot în regiunea bazolaterală a membranei enterocitului se află proteine transmembranare care transportă moleculele de glucoză şi ami -noacizii care se concentrează în citosolul enterocitelor prin procesul de sim-port. Astfel, prin cele două procese desfăşurate la nivelul celor două regiuni (apicală şi bazolaterală) ale membranei plasmatice a enterocitelor, ionii de Na , glucoza şi aminoacizii ajung din lumenul intestinului subţire în circulaţia sanguină.
ANTIPORTUL
Antiportul este modalitatea de transport a unor ioni în celulă, cuplat cu ieşirea în spaţiul extracelular a unor ioni sau molecule. Există două mecanis -me importante de antiport: antiportul Na-Ca2 şi antiportul Na-H. Antiportul Na -Ca2 este mecanismul prin care ionii de Na intră în citosol, cuplat cu ieşirea ionilor de Ca 2 din citosol în spaţiul extracelular. Acest tip de transport este realizat de o proteină de care se leagă ambii ioni. Antiportul Na-Ca2 constituie alături de transportul activ p rin pompa de Ca 2, un mecanism adiţional de transport al acestor ioni. La nivelul fibrei musculare cardiace, antiportul Na-Ca2 este principalul mecanism de reducere a concentraţiei ionilor de Ca 2 din citosol, urmată de scăderea frecvenţei cardiace. Antiportul Na -H are o importanţă mare la nivelul tubilor contorţi pro -ximali, unde prin participarea unei proteine de transport, ionii de Na pătrund din lumenul tubular în citosolul nefrocitelor (în sensul gradientului de con -centraţie), în timp ce ionii d e H trec prin antiport în lumenul tubilor uriniferi. Prin acest mecanism este menţinut la un nivel normal pH-ul citosolic necesar desfăşurării proceselor vitale. TRANSPORTUL PRIN VEZICULE
Transportul prin vezicule este o formă particulară de transport, prin care celula preia o serie de substanţe din mediul extracelular sau elimină diferite particule în spaţiul extracelular. Mecanismul de transport include formarea la nivelul membranei celulare a unor vezicule care
încorporează particulele ce urmează urmează a fi transportate, înpreună sau fără lichid interstiţial. În funcţie de sensul în care particulele urmează a fi transportate deosebim:
exocitoza, endocitoza, transcitoza. Prin exocitoză
celula elimină la exteriorul ei diferiţi produşi de secreţie sau substanţe rezultate din metabolism, fiind implicată în special în mecanismul secreţiei celulare. 22
Prin endocitoză celulele
introduc în citoplasmă particule din med iul extracelular, prin vezicule formate din membrana celulară. După modul în care particulele sunt in teriorizate, deosebim două tipuri de endocitoză: fagocitoza, procesul fagocitoza, procesul prin care particulele sunt endocitate fără fluid inter celular; celular; pinocitoza, procesul de endocitare a unei cantităţi oarecare de lichid in -terstiţial împreună cu particulele pe care le conţine. FAGOCITOZA
Fagocitoza este o modalitate
de hrănire pentru anumite vieţuitoare inferioare (protozoare). La mamifere fagocitoza joacă un rol important în pro -cesele de apărare ale organismului, deoarece pe această cale sunt înglobate şi apoi distru se intracelular bacteriile, unii paraziţi, substanţe străine, resturi celulare, celule degenerate sau îmbătrânite, celule maligne, etc. Procesul de fagocitoză este realizat la mamifere, în condiţii normale şi patologice de către celulele specializate specializate numit e fagocite. În funcţie de dimensiunea particulelor pe care sunt capabile să le înglo -beze, fagocitele sunt clasificate în: microfage, reprezentate de granulocite, capabile să înglobeze numai particule de
dimensiuni mici; macrofage, reprezentate de celulele din sistemul fagocitelor mononu-cleare (sistemul monocito-macrofagic), capabile să înglobeze şi particu le de dimensiuni mai mari.
granulocitele neutrofile şi într -o măsură mai redusă de granulocitele eozinofile, când ajung la nivelul ţesuturilor sunt deja mature având imediat capacitatea de a fagocita. În mod normal, neutro -filul are capacitatea de a fagocita până la 20 de bacterii, după care se va inac-tiva şi va fi distrus. Microfagele reprezentate de
sunt prezente în toate tipurile de ţe sut conjunctiv, cu o densitate mai mare în zone apropiate mediului extern, cum sunt corionul mu -coaselor, dermul pielii, stroma organelor parenchimatoase sau în jurul vaselor sanguine. Ele aparţin sistemului monocito macrofagic. Originea lor este în celulele stem existente în măduva hematogenă, care prin diferenţiere dau naştere monocitelor. Acestea trec în sânge pentru aproximativ 60 ore, apoi prin diapedeză trec în ţesutul conjunctiv, unde se transformă t ransformă în macrofage tisulare (histiocite) care desfăşoară activităţi specifice. Durata lor de viaţă este de câteva luni. Macrofagele au formă rotundă sau ovalară, prezintă prelungiri citoplas -matice scurte, iar nucleul lor este relativ mic, rotund sau reniform, dispus central sau excentric şi este heterocromatic. Nucleolii se disting greu. Cito- plasma este abundentă şi conţine organite celulare numeroase, dintre care se evidenţiază numărul mare de lizozomi (primari şi secundari). Pe suprafaţa lor prezintă receptori pentru regiunea Fc a imunoglobulinei G (RFc) şi pentru cel de-al treilea component al sistemului complementului (RC3). Diferitele celule care sunt incluse în sistemul fagocitelor mononucleare sunt următoarele: monocitele din sânge, macrofagele (histiocitele) din ţesutul conjunctiv, Macrofagele
23
celulele Kupffer din ficat, microgliile din sistemul nervos central,
macrofagele libere din fluidele pleurale, peritonele, sinoviale şi cele din alveolele pulmonare şi splină, osteoclastele din ţesutul osos, celulele dendritice din epiderm (celule Langerhans) şi celulele similar e ramificate din ganglionii limfatici, splină şi timus, toate fiind celule prezentatoare de antigene. Macrofagele sunt celule mobile care se deplasează în ţesuturi cu ajuto -rul pseudopodelor. pseudopodelor. Prin activitatea fagocitară a macrofagelor sunt îndepărtate din ţesuturi: microorganisme (pot fagocita mai mult de 100 de bacterii), res-turi organice, complexe imune
multimoleculare, hematii, ocazional paraziţi (protozoarele din genul Plasmodium, care determină malaria). Recunoaşterea fagocitară se realizează la două niveluri: la nivel tisular, cu ajutorul opsoninelor şi la nivelul celular, prin receptorii de suprafaţă. Op -soninele pot fi neimunospecifice neimunospecifice (fibronectina) şi imunospecifice (IgG, C3). Astfel, macrofagul poate realiza două tipuri de fagocitoză: fagocitoza neimunospecifică mediată de opsonine neimunospe cifice (de tipul fibronectinei),
fagocitoza imunospecifică imunospecifică mediată de opsonine imunospecifice (de tip IgG şi C3). În anumite situaţii patologice, ca răspuns la pătrunderea în organism a unor microbi (bacilul tubeculos şi bacilul leprei) sau a unor corpi străini ma -crofagele pot fuziona, dând naştere unor celule gigante multinucleate, cu 20 -50 de nuclei cuprinşi într -o masă citoplasmatică unică. Alteori ele se agregă şi se unesc prin joncţiuni strânse, în juru l unor focare de infecţie. Aceste celule poartă numele de celule epitelioide, datorită asemănării cu
celulele epiteliale.
Fagocitele trebuie să fie selective în ceea ce priveşte materialul fagoci -tat. Selectivitatea procesului se datorează faptului că: multe structuri tisulare (proprii organismului) au suprafaţa netedă, care le conferă rezistenţă la fagocitoză, multe structuri proprii organismului au un înveliş proteic protector care nu favorizează -ticule str ăine fagocitoza, în timp ce ţesuturile moarte şi multe par -ticule ăine nu au un astfel de înveliş, organismul are capacitatea de a recunoaşte materialele străine, prin sis -temul imun. Fagocitele prezintă la suprafaţa lor receptori cu ajutorul cărora ele recunosc ceea ce este "self" de ceea ce este "non self" (antige ni). Fagocitele sunt capabile să recunoască componentele structurale proprii alterate, cum sunt celule degenerate, îmbătrânite, maligne, resturi celulare, etc.
După extravazare prin diapedeză, leucoc itele se vor deplasa la locul a-gresiunii, sub acţiunea unor agenţi chemotactici, în sensul gradientului chi mic, procesul numindu-se chemotaxie. Agenţii chemotactici pot fi de natură endo -genă sau de natură exogenă. Dintre substanţele chemotactice de natură exo -genă, cele mai obişnuite sunt produşii bacterieni solubili (peptide şi lipide), iar cele de natură endogenă sunt reprezentate de: produşii de metabolism metabolism ai acidului arahidonic, arahidonic, în special special de leucotriena B, B, citokine, în special de cele d in familia chemochinelor (IL-8), componentele sistemului complementului, în special de C5a. 24
Legarea agenţilor chemotactici la receptorii specifici de la nivelul membranei celulare a fagocitelor va avea ca rezultat activarea fosfolipazei C, care va conduce la hidroliza fosfatidilinozitolului-4,5-bifosfat, cu producerea inozitolului-1,4,5-trifosfat şi a 2 diacilglicerolului, cu eliberarea ionilor de Ca . Creşterea concentraţiei de ioni de Ca 2 la nivelul citosolului, prin eli berarea berarea din depozitele intracelulare şi prin influxul de Ca 2 extracelular, va declanşa asamblarea eleme ntelor contractile, care face posibilă mişcarea celulară prin emiterea de pseudopode. pseudopode. La nivelul acestora există o reţea ramificată, constituită
din actină şi miozină. Mişcările de locomoţie implică asamblarea şi dezasamblarea rapidă a monomerilor de actină. Aceste procese sunt controlate de efectul ionilor de calciu şi a inozitolilor asupra unor proteine reglatoare ale actinei cum sunt: filamina, gelsolina, profilina,
calmodulina. Mecanismul prin care actina va interacţiona cu miozina în interiorul pseudopodelor, în cursul mişcărilor de locomoţie, este insuficient cunoscut. Agenţii chemotactici induc şi activarea fagocitelor, caracterizată prin: producţia de metaboliţi ai acidului arahidonic, arahidonic, modularea moleculelor de adeziune leucocitară, degranularea şi secreţia de enzime leucocitare, l eucocitare, activarea degradărilor oxidative. ETAPELE FAGOCITOZEI
Fagocitoza se realizează în trei etape distincte, aflate în interrelaţie : recunoaşterea recunoaşterea şi ataşarea particulei care urmează a fi fagocitată, înglobarea şi formarea fa gozomului,
degradarea materialului fagocitat.
Recunoaşterea Recunoaşterea şi ataşarea ataşarea Ocazional, neutrofilele şi macrofagele pot recunoaşte şi îngloba bac -terii sau materiale de origine exogenă cu ar fi gra nulele de latex. Majoritatea microorganismelor însă, nu sunt recunoscute decât decât după ce vor fi acoperite de opsonine în procesul de opsonizare. Există două opsonine majore: fragmentul Fc al imunoglobulinei G (IgG); C3b (forma sa stabilă fiind C3bi), fragmentul opsoninic al compo -nentei C3 a sistemului complementului. Complementul reprezintă un sistem format din aproximativ 20 de pro -teine prezente în plasmă, dintre care multe sunt precursori ai enzimelor. A -ceşti precursori sunt în mod normal inactivi, dar pot fi activaţi prin două me -canisme: clasic şi alternativ. La nivelul membranei celulare a leucocitelor există receptori corespun -zători opsoninelor. Aceştia sunt: receptorul RFc, care recunoaşte fragmentul Fc al IgG, receptorii complementului 1, 2 şi 3 (RC1,2,3), care interacţionează cu C3b şi C3bi. C 3bi. Receptorul RC3, are o importanţă i mportanţă particulară deoarece: este identic cu integrina- integrina-2-Mac-1, implicată în adeziunea la endo -teliul vascular; recunoaşte lipopolizaharidele bacteriene fără intervenţia anticorpilor sau
complementului, rezultând fagocitoza nonopsonică; 25
leagă unele componente ale matricei extracelulare, cum sunt fibro-nectina şi laminina.
Înglobarea Legarea particulei opsonizate la receptorul RFc este suficientă pentru a declanşa înglobarea, care însă devine foarte intensă în prezenţa receptorilor pentru comple ment. -ticula care În timpul înglobării pseudopodele emise de fagocite vor înconjura par -ticula -un mecanism nu-mit "în fermoar", rezultând urmează a fi înglobată pe toată suprafaţa, printr -un în final internalizarea unei porţiuni din membrana plasmatică (a celulei fa gocitare), cu constituirea fagozomului. Membrana li-mitantă a fagozomului va fuziona cu lizozomii (primari), cu constituirea fago-lizozomilor (lizozomi secundari). Astfel conţinutul granulelor lizozomale va fi descărcat în interiorul fagol izozomului, granulocitele şi monocitele degranulându-se progresiv. Multe dintre procesele implicate în fagocitoză şi degranulare sunt simi -lare celor întâlnite în cazul chemotaxiei, fiind asociate cu: legătura ligand-receptor, activarea fosfolipazei C, producerea de diacilglicerol şi inozitol-1,2,3-trifosfat, activarea proteinkinazei C, creşterea concentraţiei citosolice de calciu. Degradarea
Reprezintă ultima etapă a procesului de fagocitoză. În cazul fagocitării bacteriilor, la nivelul fagozomilor (neutrofilelor sau macrofagelor), există a -genţi bactericizi care omoară bacteriile înainte ca ele să fie digerate. digerate. -un mecanism dependent de oxigen, care Omorârea bacteriilor se realizează printr -un presupune intervenţia unor agenţi oxidanţi care se formează (sub acţiunea unor enzime) la nivelul membranelor fagozomilor, sau a peroxi-zomilor. Agenţii oxidanţi sunt: superoxidul (O2-), peroxidul de hidrogen (H 2O2) şi ionul hidroxil (OH-). Astfel, fagocitoza stimulează:
arderile cu consum de oxigen, glicogenoliza, creşterea oxidării glucozei (pe calea şuntului hexozo monofosfat),
producerea de metaboliţi reactivi ai ai oxigenului. Producerea metaboliţilor de oxigen se realizează prin rapida activare a NADPH oxidazei, care oxidează NADPH (nicotinamidadenin dinucleotid fosfatul). În acest proces se produce şi reducerea reducerea oxigenului, oxigenului, cu generarea ionului superoxid. superoxid. Acesta va fi apoi apoi convertit în H2O2. Cantitatea de peroxid de hidrogen (H 2O2) produsă la nivelul fagolizozomilor este suficientă pentru a omorî bacteriile. NADPH oxidaza este un sistem enzimatic complex, constituit din fos-foproteine
citosolice şi componente proteice ale citocromilor membranari. Activarea NADPH oxidazei necesită translocarea componentelor citosolice pentru a interacţiona cu citocromii fixaţi la nivelul membranei, iar când membrana este invaginată, la nivelul fagolizozomului. În această situaţie peroxidul de hidrogen este produs în interiorul lizozomilor. Granulele azurofile ale neutrofilelor conţin enzima numită mielo -peroxidază, care în prezenţa unui halogen, cum este clorul, transformă pe -roxidul de hidrogen în HOCl. Acesta 26
este un agent antibacterian care distruge bacteriile prin halogenare, sau prin oxidarea lipidelor
şi proteinelor. Importanţa mecanismului de distrugere a bacteriilor, dependent de oxi -gen, este demonstrată de existenţa unui grup de defecte congenitale privind omorârea bacteriilor, care determină boala cronică granulomatoasă caracte-rizată prin predispoziţia unor pacienţi pentru infecţii bacteriene bacteriene recurente. ecte genetice privind co-dificarea unor Această afecţiune se datorează unor def ecte componente ale NADPH oxidazei.
Omorârea bacteriilor se poate realiza în absenţa arderilor oxidative, prin intervenţia unor substanţe conţinute în granulele leucocitelor. Aceste sub -stanţe sunt: proteina creşterii per meabilităţii meabilităţii bactericide, lizozimul, lactofe -rina, proteina bazică majoră (la nivelul eozinofilelor), defensina.
După omorâre, bacteriile vor fi degradate la nivelul fagolizozomilor de către hidrolazele acide conţinute de granulele azurofile. Materialele nedigerabile sunt reţinute în vacuole, constituind corpii re-ziduali. În citoplasma unor celule cu viaţă lungă, cum sunt neuronii sau ce -lulele musculare cardiace, se acumulează cantităţi mari de corpi reziduali care conţin lipofuscina numită şi pigment de uzură. PINOCITOZA
Pinocitoza reprezintă procesul prin care se realizează pătrunderea în celule a unor molecule împreună cu fluid extracelular, sub forma unor vezicule extrem de mici. Pinocitoza reprezintă ingestia de substanţe aflate sub formă de dispersie în fluidul extracelular, proces stimulat de modificările ionice. Pinocitoza se realizează în mod continuu la nivelul membranei plas -matice a celor mai multe celule. În unele cazuri procesul se desfăşoară cu mare rapiditate. Astfel, în cazul macrofagelor, pinocitoza se desfăşoară extrem de rapid, în fiecare minut până la 3% din membrana macrofagului fiind înglobată sub formă de vezicule. Pinocitoza este singura modalitate prin care multe macromolecule (ex. (ex. moleculele
proteice) pătrund în celule. Există două forme de pinocitoză : pinocitoza independentă de receptori, cu producerea de vezicule pino -citotice netede, proces relativ neselectiv;
pinocitoza mediată de receptori, cu producerea de vezicule acoperite, prin care se realizează un proces selectiv de absorbţie.
Pinocitoza independentă de receptori este o modalitate de interiorizare (înglobare) a substanţelor existente în lichidul extracelular, cu ajutorul unor vezicule formate prin internalizarea unei porţiuni a membranei celulare, fără ca particulele să fie fixate în prealabil de receptorii membranari specifici. Procesul se desfăşoară la nivelul endoteliului vascular, în celulele musculare netede, dar este prezent la aproape toate tipurile de celule. Veziculele pinocitotice se formează prin invagina rea membranei plas-matice. Iniţial, membrana plasmatică se va invagina pentru a forma mici de - presiuni presiuni proiectate în interiorul celulei. Apoi membranele se apropie, deschi- derea depresiunii create se îngustează, formând 27
un lumen îngust. În conti -nuare membranele vor fuziona luând naştere vezicule numite pinozomi. pinozomi.
Continuarea constricţiei va determina separarea veziculei de mem - brană. brană. În faza următoare, pinozomii care se desprind de membrana celulară vor fi antrenaţi de curenţii intracitoplasmatici. În citoplasmă pinozomii se vor uni cu lizozomii, iar particulele endocitate vor fi digerate până la componente simple. Pinocitoza mediată de receptori se mai numeşte şi absorbtivă, selec -tivă sau concentrativă şi este o modalitate de înglobare a unor particule pe p e care celula le recunoaşte cu ajutorul unor receptori existenţi la suprafaţa membra-nei celulare. În acest proces receptorii specifici de la suprafaţa membranei se leagă strâns de macromoleculele extracelulare pe care le recunosc. Aceste molecule poartă numele de liganzi. În mod uzual, moleculele proteice se ataşează la membrana plasmatică la nivelul unor receptori specializaţi, specifici pentru tipul de proteină absor - bită. bită. În general, aceşti receptori sunt concentraţi în mici depresiuni la nivelul suprafeţei externe a membranei plasmatice. Acestea se numesc caveole aco-perite, deoarece pe suprafaţa lor citosolică se găseşte o reţea r eţea a clatrina. cărei compo-nentă principală o constitue o proteină fibrilară , clatrina. Clatrina este o proteină fibrilară, vizibilă în microscopia electronică ca o reţea care acoperă faţa citosolică a caveolelor sau a veziculelor formate din membrana plasmatică şi a celor formate la nivelul compartimentului trans al complexului Golgi. Clatrina purificată are forma unui triskelion cu trei braţe, fiecare lanţ fiind constituit dintr -un braţ lung (greu) şi un braţ scurt (uşor). Polimerizarea spontană a acestor formaţiuni determină exti nderea caveolelor şi eventual formarea veziculelor acoperite.
După legarea moleculelor proteice la receptori se produce o modificare a proprietăţilor membranei celulare, astfel că întreaga depresiune se invagi -nează, iar proteinele care o înconjoară ca o reţea vor determina fuzionarea marginilor acesteia, cuprinzând şi o mică cantitate de fluid extracelular. Imediat după aceea porţiunea
invaginată a membranei se va desprinde de suprafaţa celulei, constituind vezicula acoperită. Veziculele acoperite cu clatrină tipice au aspectul unor mingi de fotbal cu diametrul de 50-100 nm.
După endocitare veziculele acoperite pierd reţeaua de clatrină, formând vezicule netede, numite receptozomi.
În afară de clatrină, care este componenta cea mai studiată a reţelei proteice care acoperă veziculele, o altă proteină este dinamina. Aceasta este o proteină citosolică, care leagă şi apoi hidrolizează GTP -ul. Perturbări ale ac -tivităţii acesteia determină imposibilitatea legării GTP-ului, blocând formarea veziculelor acoperite. Între reţeaua de clatrină şi membrana veziculelor veziculelor se găseşte un spaţiu de aprox. 20 nm, care conţine particule de asamblare. În afară de clatrină, dinamină, particule de asamblare, la acest nivel există probabil şi filamente de actină şi miozină. Astfel, acest proces de formarea al veziculelor se realizează în următoa rele etape: membrana acoperită formează o depresiune, apoi o caveolă acoperită, în final se va forma vezicula acoperită. Pinocitoza mediată de receptori necesită: 28
energie, care va fi furnizată de ATP; prezenţa ionilor de calciu în fluidul extracelular, care interacţionează cu filamentele proteice contractile din jurul depresiunilor acoperite, acoperite, pentru a mobiliza veziculele de la nivelul membranei celulare.
Receptozomii vor fi antrenaţi de curenţii intracitoplasmatici şi se vor uni cu lizozomii în vederea degradării (digestiei) particulelor endocita te. Dacă în cazul pinocitozei independente de receptori concentraţia sub -stanţelor în veziculele endocitate este aceeaşi ca şi în mediul extracelular, în cazul pinocitozei mediate de receptori concentraţia este mult mai mare dato -rită capacităţii receptorilor de a fixa un număr mai mare de particule. În acest proces rata de endocitare a liganzilor este limitată de concentraţia de receptori corespunzători de la suprafaţa memb ranei plasmatice, complexele ligand-receptor fiind în mod selectiv încorporate în v ezicule de transport intracelular (multe alte proteine membranare fiind excluse).
TRANSCITOZA
Procesul de transcitoză (transportul transcelular) :
implică endocitarea substanţelor, iar apoi exocitarea lor : materialele endocitate traversează celula, fiind apoi exocitate la nivelul membranei plasmatice pe partea opusă, se desfăşoară în unele ţesuturi unde celulele formează o barieră între două medii extracelulare, unele molecule sunt transportate de pe o parte a celulei pe c ealaltă fără
implicarea lizozomilor, ex. la nivelul celulelor endoteliale şi enterocitelor.
La nivelul celulelor endoteliale intensificarea transcitozei reprezintă un mecanism potenţial de creştere a permeabilităţii vasculare, aspect evidenţiat la nivelul neoplasmelor maligne. În cazul enterocitelor, imunoglobulina A care este secretată de plasmocitele din matricea ţesutului conjunctiv al laminei bazale (corion) se va lega de receptorii Fc de la nivelul membranei plasmatice a acestor celule. Complexele IgA-receptor vor fi înglobate în enterocite prin endocitoză, fiind apoi transportate sub forma veziculelor acoperite înspre polul apical al acestora. La acest nivel, veziculele vor fuziona cu membrana plas- matică unde IgA va fi eliberată în urma desfacerii complexelor IgA -receptor.
29
EXPANSIUNILE MEMBRANEI CELULARE
Suprafaţa celulară nu este niciodată netedă. Există întotdeauna modifi -cări sub forma unor prelungiri sau extensii, unele având caracter tranzitoriu, iar altele fiind permanente. Aceste prelungiri sunt implicate în procesele de motilitate celulară, absorbţie sau în realizarea fagocitozei.
EXPANSIUNILE EXPANSIUNILE TRANZITORII
Suprafaţa celulară poate să emită expansiuni care privite la microscop apar ca valurile pe suprafaţa unei ape. Unele pot chiar să se desprindă pentru ca imediat să fie încorporate din nou. Acest aspect, datorat fluidităţii cito - plasmei, plasmei, este foarte accentuat înainte de diviziunea celulară şi înainte de ex -pulzarea nucleului eritrocitelor. Alte expansiuni tranzitorii sunt pseudopodele, emise de obicei de către celulele capabile să se deplaseze activ pe un suport solid. Emit pseudopode celulele care se deplasează prin mişcări ameboidale şi celulele capabile de fagocitoză (granulocitele neutrofile, macrofagele).
EXPANSIUNILE EXPANSIUNILE PERMANENTE
ale suprafeţei celulare sunt structuri stabile, susţinute de fascicule de filamente de actină în cazul microvililor şi stereoci -lilor sau de microtubuli în cazul cililor şi flagelilor. Expansiunile permanente
su sunt expansiuni citoMicrovilii
plasmatice 0,5-1 m şi apical al unor nefrocitele, tiroidieni.
digitiforme, cilindrice, cu lungimea de diametrul de 0,08 m, localizate la polul celule epiteliale, cum sunt entero-citele, hepatocitele, celulele foliculilor
Fig. 1. Enterocite cu platou striat -microfotografie.
Rolul acestor prelungiri este de a de ori suprafaţa de ab -sorbţie a celulelor, absor-bite.
mări de 10-20 dar şi de a pompa în interiorul celulei substanţele
În microscopia optică microvilii nu pot fi identificaţi separat, ci apar ca o dungă mai intens colorată, cu aspect striat, dispusă la polul apical al celu -lelor, constituindu-se aspectul de platou de platou striat la la enterocite (fig. 1) şi mar- ginea ginea în perie în cazul nefrocitelor. La microscopul electronic se constată că mi crovilul este delimitat de membrana plasmatică, iar în iar în interiorul lui se găsesc 20 -30 de filamente de actină organizate în mănunchi (fascicul), care-i conferă rigiditate. 30
Filamentele care constituie fasciculul sunt paralele şi sunt legate trans -versal prin proteine asociate, cum sunt fimbrina şi vilina. vilina. Rolul acestor pro-teine asociate este de a stabiliza filamentele în mănunchi. Filamentele de actină au aceeaşi polaritate şi se termină la polul apical într -o zonă amorfă care conţine o proteină de acoperire neidentificată şi care realizează legarea filamentelor de membrana plasmatică. În regiunile laterale ale microvilului, mănunchiul de -o proteină similară filamente se leagă de membrana plasmatică prin calmodulină şi printr -o miozinei de tip I. La I. La polul ba-zal, filamentele de actină din microvil se ancorează în regiunea apicală a celulelor epiteliale de reţeaua terminală (regiune specializată a citoscheletu -lui) constituită din filamente de actină şi proteine asociate. sunt sunt microvili foarte lungi, vizibili în microscopia optică. Pot fi observaţi la Stereocilii nivelul tractului ge-nital masculin, în epididim (fig. 2), dar şi la nivelul urechii interne.
Fig. 2. Stereocili în epididim-microfotografie.
Cilii sunt
formaţiuni filiforme lungi de 5-15 m, cu diametrul de 0,5 m, prezente la polul apical al unor celule, în totdeauna cubice sau prismatice (fig. 3). Cilii sunt prezenţi la nivelul celulelor epiteliului mucoaselor: nazală, faringiană, traheei, bronhiilor, trompe-lor uterine, uterului, căilor spermati ce, etc.
31
Fig. 3. Epiteliu respirator ciliat-microfotografie.
Numărul cililor la suprafaţa apicală a unei celule este de ordinul sute -lor. Fiecare cil prezintă un corpuscul bazal situat în citoplasmă, care se con -tinuă în profunzime cu o rădăcină, iar la suprafaţa celulei cu o tijă. Membrana celulară acoperă cilul la exterior, iar la interior conţine axonema şi citoplasmă lipsită de organite (fig. 4 ).
Fig. 4. Schema unui cil în secţiune transversală. 1 -membrana celulară; 2 -dublete periferice de microtubuli; 3, 4- braţe de dineină; dineină; 5-nexină; 6-teaca centrală; 7 -spiţe radiale, cu capul de legătură (8); 9- perechea perechea centrală centrală de microtubuli.
La microscopul electronic, pe o secţiune transversală, se constată că a -xonema cililor (Fig. 19) este constituită din: 20 de microtubuli cu configuraţia 92, adică la periferie se află 9 dublete de microtubuli, iar în centru doi microtubuli aşezaţi mai distanţat; braţele de dineină , care pornesc unidirecţional de la un dublet spre cel învecinat; dineina este o proteină cu proprietăţi e nzimatice (este o ATP-ază) ce asigură energia necesară mişcării cililor; spiţele radiale, care se întind de la dubletele periferice, la teaca centrală; teaca centrală, care înconjoară cei doi microtubuli centrali; împreună cu spiţele radiale intervin în reglarea mişcărilor ciliare; nexina, care este o proteină elastică ce conectează dubletele adiacente de microtubuli, contribuind la menţinerea formei cililor. Dacă secţiunea transversală se face la nivelul corpusculului bazal (Fig. 20) se constată că aici cei doi tubuli centrali lipsesc, iar dubletele de la peri-ferie devin triplete (configuraţia 90), rezultând o structură care se aseamănă până la identitate cu centriolii. Cilii se găsesc la nivelul unor celule epiteliale pe suprafaţa cărora există un strat de lichid. Funcţia cililor este aceea de a deplasa lichidul care îi scaldă, într -un singur sens, de regulă înspre exterior, datorită faptului că mişcarea lor ordonată şi succesivă într -o direcţie este lentă, iar în cealaltă este rapidă. Prin deplasarea lichidului care îi scaldă, cilii realizează curăţirea epiteliului (ex. epiteliul traheal), fiind îndepărtate o serie de sub -stanţe sau particule 32
care au pătruns accidental sau care au rezultat din me -tabolismul sau moartea unor celule. În cazul trompelor uterine, cilii facilitează deplasarea ovocitului înspre uter. Mecanismul mişcării cililor . Sub acţiunea dinein ATP -azei are loc eli-berarea energiei ATP-ului, care imprimă braţelor de dineină o mişcare de alunecare în lungul suprafeţei perechilor adiacente de microtubuli. Când mi -crotubulii frontali alunecă în afară spre vârful cilului, iar cei posteriori rămân nemişcaţi, cilul se va înclina. Flagelii sunt formaţiuni cu lungimea de aprox. 80 -100 m, prezente la suprafaţa unor celule. Structura flagelului nu diferă de cea a cilului dar lun -gimea sa este mai mare. În majoritatea cazurilor o celulă prezintă un singur flagel. În organismul uman singura celulă cu flagel este spermatozoidul. Mişcarea ondulatorie a flagelului permite celulei să se deplaseze în -mite mediul lichid, flagelul fiind componenta sa locomotorie. În acest mod, flagelul per -mite deplasarea spermatozoidului spermatozoidului spre ovocit în vederea fecundării.
CITOPLASMA
Citoplasma reprezintă spaţiul aflat între membrana celulară şi învelişul nuclear. Ea cuprinde două componente majore: matricea citoplasmatică;
organitele celulare.
Matricea citoplasmatică se mai numeşte citosol, matrice fundamen -tală, substanţă fundamentală a citoplasmei sau hialoplasmă, toate semnificând însă aceeaşi realitate biologică. La microscopul optic, matricea citoplasmatică apare astructurată, cu grade diferite de acidofilie sau bazofilie. Ea se se prezintă ca o "reţea" microtrabeculară cu două două faze: faza polimerizată sub formă de reţea bogată în proteine structurale şi protein -enzime; faza fluidă, bogată în apă, ce se află în ochiurile reţelei microtrabecu -lare. În faza lichidă se găsesc diferite molecule ca: glucoză, aminoacizi, ioni sau gaze dizolvate (oxigen, dioxid de carbon, etc.).
Matricea citoplasmatică este sediul unor procese metabolice esenţiale pentru celulă ca: glicoliza, calea pentozo-fosfatică, glicogenogeneza, glico -genoliza, metabolizarea aminoacizilor, biosinteza acizilor graşi şi a nucleoti -delor. La nivelul matricei citoplasmatice există o serie de diferenţieri care la celula animală cuprind: filamentele de miozină, filamentele de actină, fila -mentele intermediare, microtubulii.
FILAMENTELE DE MIOZINĂ Miozina este o proteină răspândită în celulele eucariote. Până în prezent se cunosc două specii moleculare al e acestei proteine. Miozina de tip I nu este prezentă în celulele musculare, fiind implicată în celulele nemusculare în fenomene de motilitate ce au la bază mecanismul actină-miozină (ex. mişcă-rile din microvili sau transportul veziculelor şi organitelor învelite în mem-brane, de-a lungul filamentelor de actină). Miozina de tip II formează miofi-lamente în celulele musculare din muşchii striaţi şi netezi. 33
Molecula de miozina de tip II este alcătuită din: două lanţuri polipeptidice grele, fiecare cu greutatea moleculară de aprox. 200.000 daltoni, dispuse sub forma unui dublu helix; fiecare lanţ are mici capuri globuloase dispuse în unghi drept la un capăt al mo -leculei, acestea având activitate ATP -azică; patru lanţuri uşoare, fiecare cu greutatea moleculară de aprox. 20.000 daltoni sunt de asemenea componente ale capurilor miozinei, câte două pentru fiecare cap; au rol în controlul funcţiei capului în timpul con-tracţiei musculare. Moleculele de miozină polimerizează, generând filamente de miozină. Prin împl etirea cozilor moleculelor de miozină rezultă corpul filamentului, iar capetele globuloase sunt proiectate în afară, fiind legate de corpul fila -mentului prin expansiuni sub formă de braţe, desprinse din fiecare moleculă (sunt porţiuni de helix). Aceste expansiuni se numesc punţi transversale. Fie-care punte transversală prezintă câte două puncte unde este flexibilă. Unul este la locul de emergenţă al braţului din corpul filamentului de miozină, iar cel de -al doilea la locul joncţiunii braţului cu cele două capete globuloase. Cele două zone flexibile ale punţilor au rol în contracţie/relaxare pentru că permit îndepărtarea/apropierea capetelor faţă de corpul filamentului de miozină. O proprietate importantă a capului miozinei este funcţia sa ATP -azică, care permite capului să descompună molecula de ATP. Va rezulta astfel e -nergia necesară în procesul contractil.
În celulele nemusculare filamentele de miozină au dimensiuni mici şi un caracter tranzitoriu.
FILAMENTELE DE ACTINĂ Actina, cea mai bine reprezentată
proteină a ci toscheletului este prezentă în celulele musculare unde reprezintă aproximativ 20% din proteine, dar şi în celulele nemusculare, nemusculare, unde constituie 5-10% dintre proteinele ce-lulare.
Actina se prezintă sub formă de: actină-G sau globulară, care este forma monomerică; actina-F sau forma filamentoasă, care rezultă prin polimerizarea actinei -G. Polimerizarea actinei-G este posibilă datorită unor situsuri de legare pe care le posedă şi care permit interacţiuni cap -coadă cu alte două molecule de actină -G. Vor rezulta astfel filamentele de actină, care la microscopul elec -tronic apar ca structuri ale căror subunităţi sunt dispuse în α-helix. Energia necesară procesului de polimerizare al monomerilor este furni -zată de hidroliza ATP. Lungimea filamentelor
de actină este controlată de unele proteine care influenţează asamblarea şi dezasamblarea monomerilor de actină. Aceste proteine sunt: proteinele care leagă actina, reprezentate de timozină şi profi-lină şi proteinele de acoperire care conservă lungimea filamentelor, repre-zentate de proteina de proteina cap Z , tropomodulina, tropomodulina, gelsolina. gelsolina.
Filamentele de actină formează: fascicule alcătuite din filamente paralele solidarizate de fimbrină la ni-velul microvililor, sau de α-actinină, în această situaţie spaţiile mai ma ri dintre filamente permit interacţiunea cu miozina în fasciculele contractile; 34
reţele alcătuite din filamente de actină dispuse în zig -zag, legate printr-o proteină numită filamină. Rolul fasciculelor şi reţelelor de filamente de actină este de a susţine membrana celulară, contribuind astfel la menţinerea formei celulelor. La pe -riferia celulelor, sub membrana plasmatică se află cortexul celular , cu aspec-tul unei reţele tridimensionale. De asemenea, la locul unde celulele stabilesc legături cu alte celule sau cu matricea extracelulară, adeziune. membranele celulare prezintă regiuni specializate numite plăci de adeziune În celulele nemusculare filamentele de actină au un caracter tranzitoriu, profilina fiind gelsolina sunt proteine o proteină ce influenţează procesul de polimerizare al ac tinei. Vilina şi gelsolina sunt care reglează procesele de polimerizare a ac -tinei prin ionii de Ca 2, în acelaşi timp interconectând filamentele de actină în mănunchiuri.
MICROTUBULII
tubuline, sunt com-ponente Microtubulii, formaţiuni filamentoase formate din tubuline, principale ale citoscheletului.
Tubulinele sunt de două tipuri: α -tubulina şi β-tubulina. Sunt proteine globulare cu diametrul de aprox. 5 nm, ambele au aceeaşi masă moleculară (aprox. 50 kdal), dar cu secvenţe diferite ale aminoacizilo r. Cele două subunităţi formează dimeri, care prin polimerizare vor alcătui protofilamente (protomicrotubuli), protofilamente (protomicrotubuli), iar apoi 13 protofilamente
prin aranjare sub formă de cilindru cu interiorul aparent gol, vor forma un microtubul cu diametrul de 24 nm (fig. 5). Asamblarea şi polimerizarea tubuline -lor este controlată de unele protei ne asociate microtubulilor, cum sunt: proteina MAP (microtubule - associated protein), care favori-zează polimerizarea tubulinelor şi leagă mic -rotubulii de alte componente celular e şi pro-teina tau.
Fig. 5. Asamblarea şi polimerizarea tubulinelor.
sunt aranjaţi sub formă de bandelete, generate şi centrate de centrozom. Acesta este centrat de doi centrioli formaţi din 9 triplete de micro tubuli. Diferenţierea celulelor ciliate este însoţită de deplasarea centriolilor spre polul apical, unde formează sateliţii centriolari care devin corpii bazali ai ci -lilor. Microtubulii citoscheletului suferă continuu procese de asamblare şi dezasamblare prin polimerizare şi depolimerizare. Astfel, 50% din tubuline sunt în stare de sol la nivelul citosolului, constituind rezerva utilizată în pro -cesele de asamblare-dezasamblare desfăşurate în formarea citoscheletului, a -paratului mitotic sau a inelului de citodiereză. Există unele substanţe cum sunt vinblastina şi colchicina, care interfe -rează cu asamblarea sau dezasamblarea microtubulilor. Vinblastina inhibă formarea microtubulilor şi Mirotubulii din structura citoscheletului
35
blochează formarea fusului mitotic prin fragmen f ragmen-tarea microtubulilor, iar colchicina se leagă de dimerul tubulinic şi blochează procesul procesul de polimerizare. Microtubulii intervin în: alcătuirea axonemei cililor şi flagelilor; menţinerea formei celulare;
transportul intracelular al unor organite; transportul intracelular al veziculelor;
transportul granulelor de melanină în celulele pigmentare; alcătuirea fusului de diviziune şi în transportul cromozomilor de-a lun-gul acestuia; formarea centriolilor.
FILAMENTELE INTERMEDIARE
Denumite astfel datorită diametrului lor care are valori într e cele ale microfilamentelor (aprox. 10 nm) şi cele ale microtubulilor (aprox. 25 nm), fi -lamentele intermediare rezultă prin polimerizarea unor unor subunităţi proteice, proteice, care diferă în funcţie funcţie de tipul celular. Tabel. 1. Localizarea şi funcţii le filamentelor intermediare . Proteină Localizare Funcţii citocheratină cu celulele epiteliale suport structural; markeri pentru cele 20 forme distumorile de origine epite lială. tincte (acide, bazi• sunt asociate desmozo milor şi ce, neutre) hemidesmozomilor
• tonofilamentele desmină
muşchi scheletali, muşchi
formează o reţea care leagă miofi -
cardiac, muschi neted
brilele/miofilamentele; marker pentru tumorile de ori gine musculară
vimentină
fibroblaste, celule endoteliale; condroblaste, macrofage, celule mezenchimale, celule musculare netede din peretele vacular proteina glială fi - - astrocite, oligodendrocite, celule Schwan brilară acidă neuroni neurofilamente
sunt asociate cu învelişul nuclear şi cu porii nucleari; marker pentru
tumorile ţesutului conjunctiv suport structural; tumorile gliale
marker
pentru
suport structural pentru axon şi dendrite; facilitează starea de gel a citosolului
lami nin ele A, B, C
lamina nucleră
organizarea cisternei perinucleare şi a cromatinei perinucleare
Aceste proteine sunt (tabel 1.) : citocheratinele (familie de 20 de polipeptide), în celulele epiteliale; neurofilamentele din neurofilamentele din citoscheletului neuronilor;
proteina glială fibrilară fibrilară acidă, în astrocite; laminina, în lamina l amina nucleară; 36
vimentina, în celulele de origine mezenchimală; desmina, în fibrele musculare netede şi în membrana Z din fibrele mus -culare striate.
Funcţiile filamentelor intermediare diferă în raport cu tipul celular unde se găsesc, astfel:
intervin în ataşarea celulelor între ele pri n ancorarea de proteinele transmembranare ale desmozomilor;
intervin în legarea celulelor epiteliale de elementele matricei extrace -lulare, în cazul hemidesmozomilor;
la nivelul fibrelor musculare (de toate tipurile), filamentele de desmină au rol structural, susţin discurile Z şi miofibrilele. CITOSCHELETUL
Celulele eucariote prezintă în matricea citoplasmatică în plus faţă de organitele celulare delimitate de endomembrane şi o reţea complexă de fila -mente proteice care constituie citoscheletul . Filamentele proteice ale citoscheletului sunt reprezentate de: microfilamente (filamentele de actină); microtubuli; filamentele intermediare.
Filamentele proteice ale citoscheletului sunt legate între ele, sau de or -ganite, prin intermediul unor proteine de asociaţie. Citoscheletul este o structură dinamică, într -o continuă reorganizare, cu rolul în: menţinerea formei celulelor, compartimentarea funcţională a citosolului, realizarea mişcărilor celulare (emiterea de pseudopode), pseudopode), fagocitoză, diviziune celulară (aparatul mitotic, inelul de plasmadiereză), plasmadiereză), ancorarea celulelor între ele.
MIŞCĂRILE CELULARE Motilitatea celulară, o proprietate esenţială a celulei, are la bază in -teracţiuni în: sistemul actină-miozină prin activitatea căruia se produc contracţia musculară şi ile ameboidale; mişcăr ile sistemul microtubul-dineină prin funcţionarea căruia se produc mişcă -rile cililor şi ale flagelilor.
Dintre mişcările realizate la nivel celular, o importanţă deosebită o are contracţia celulelor musculare cardiace, scheletale şi a celor n etede.
37
CONTRACŢIA MUSCULARĂ
Interacţiunea actină-miozină realizată de structuri specializate din muş -chii striaţi şi netezi determină un tip particular de mişcare celulară care poartă numele de contracţie musculară. Din punct de vedere histologic se po t recunoaşte trei tipuri distincte de celule sau fibre f ibre musculare: fibra musculară striată scheletală care intră în alcătuirea musculaturii scheletului, limbii, faringelui, diafragmului, muşchilor extrinseci ai globului ocular, prezintă un aranjament ordonat al miofibrilelor res-ponsa bile de contracţia musculară, sub forma unor benzi transversale clare ce alternează cu benzi întunecate ce -i conferă acestui tip ig. 6); contracţia fibrei muscula re striate de fibră musculară numele de striat (f ig. scheletale este voluntară; fibra musculară striată cardiacă ce alcătuieşte musculatura involun -tară a inimii; are aspect striat în microscopia optică şi se află sub con -trolul inervaţiei vegetative; fibra musculară netedă sau viscerală ce se găseşte în structura organe -lor cavitare sau tubulare, cum ar fi tractul gastrointestinal, aparatul uro-genital, căile respiratorii, vasele de
sânge, dar şi în structura irisului şi a corpului ciliar; nu prezintă striaţiuni în microscopia optică, iar acţiunea sa este involuntară, fiind sub controlul sistemului nervos vegetativ.
Fig. 6. Fibre musculare striate microfotografie.
scheletale-
Organizarea Organizarea fibrei musculare striate scheletale
Fibra musculară striată scheletală este o celulă alungită, cilindrică, cu o lungime variabilă de la un muşchi la altul. Se întinde pe toată lungimea muş -chilor scurţi, iar uneori poate ajunge până la 50 cm lungime (m. croitor). Ce -lulele musculare striate sunt dispuse paralel în lungimea muşchiului şi nu se ramifică. ramifică. Fibra musculară striată este învelită de o membrană plasmatică lipoproteică cu grosimea de 15 nm, înconjurată de un glicocalix bogat în glicoza minoglicani, iar la exterior de o teacă conjunctivă impropriu denumită şi membrană bazală, alcătuită din lamina bazală şi lamina reticulară. Toate a-ceste structuri formează învelişul celular sau sarcolema, rezistentă, groasă de 0,5 -1 µm, ce înveleşte fibra musculară striată. Celula musculară striată scheletală este o celulă multinucleată, are sute de nuclei dispuşi în axul lung al fibrei, situaţi la periferie, imediat sub plas -malemă. Nucleii au lungimea de aprox. 10 µm, sunt ovoizi, uşor aplatizaţi, hipercromatici şi conţin 1 -2 nucleoli. 38
Sarcoplasma, Sarcoplasma, citoplasma fibrei musculare, este semifluidă, acidofilă, mai abundentă şi mai densă la periferie. Ea conţine proteine necontractile (ca miogenul şi mioglobina), numeroşi sarcozomi (mitocondrii), complex Golgi slab dezvoltat, lizozomi, incluziuni de glicogen, lipide, pigment de uzură. În citoplasma fibrei musculare există numeroase miofibrile alcătuite din proteine contractile care ocupă aprox. 80% d in volumul fibrei, dispuse paralel în lungimea fibrei musculare, sub forma unor fascicule denumite co-loanele lui Leydig. Miofibrilele apar în microscopia optică (fig. 6) ca o succesiune ordo- nată de: discurile întunecate denumite discurile A, A, care sunt anizotropice, bire-fringente în lumina polarizată, mai intens colorate cu eozină sunt stră- bătute bătute de o zonă zonă clară, banda H sau sau striaţiunea lui Hensen, care la rândul ei este străbătută la mijloc de linia M , discurile luminoase sau discurile I , care sunt izotropice şi monorefrin -gente în lumina polarizată; sunt mai slab colorate cu eozină şi sunt stră - bătute bătute la mijloc de membrana Z sau sau stria lui Amici. care re- prezintă Între două membrane Z succesive se delimitează un sarcomer care prezintă unitatea structurală şi funcţională a miofibrilei. Un sarcomer măsoară 2 -3 µm în repaus, iar în
contracţie extremă se poate scurta până la 1µm. El cuprinde câte două jumătăţi de bandă I ce flanchează banda A. În timpul contracţiei, datorită glisării miofila mentelor, membranele Z se deplasează spre banda A, astfel încât în contracţie completă benzile I nu mai sunt vizibile. Deşi membrana H din discul A se scurtează, discul întunecat A îşi păstrează lungimea constantă. În muşchiul contractat miofibrilele rămân la lungimea iniţială, iar sar -comerul se scurtează şi se îngroaşă. Fibra musculară scheletală prezintă o dublă striaţiune, una longitudinală dată de miofibrilele dispuse în fascicule paralele cu axul fibrei şi alta transversală dată de discurile clare şi întunecate din structura miofibrilelor. miofilamentele, La baza contracţiei fibrei musculare stau elementele contractile sau miofilamentele, vizibile doar în microscopia electronică, organizate sub forma unor filamente groase de miozină sau subţiri de actină, de natură proteică (Fig. 25). Miofilamentele groase de miozină au lungimea de aprox. 1,5 µm şi grosimea de 12-15 nm. Sunt situate în porţiunea centrală a sarcomerului, adică în banda A. Aceste miofilamente sunt menţinute în mijlocul discului A de membrana H ce conţine filamente transversale de miomesină (localizate în linia M). Fiecare miofilament este alcătuit din aprox. 300 de molecule de mi-ozină. Miofilamentele subţiri se prind pe linia Z cu un capăt, iar cu celălalt ca - păt păt pătrund în banda A până la limita striei H. Astfel, porţiunile învecinate din două sarcomere conţin numai miofilamente subţiri. Acestea au lungimea de 2 µm, grosimea de 6 -7 nm şi sunt alcătuite din actină, tropomiozină şi tro- ponină ponină, care sunt asociate la nivelul discului Z (ce apare ca o linie în zig-zag) cu α-actinină. Actina filamentoasă (actina-F) este alcătuită din două lanţuri rezultate prin polimerizarea moleculelor de actină G (globuloasă), lanţuri ce sunt dis - puse puse sub formă de dublu helix. Fiecare moleculă de actină globuloasă are un loc l oc de legare pentru miozină. Tropomiozina este o proteină filamentoasă dispusă în jurul moleculelor de actină, pe care le stabilizează. Complexul troponinic ce reglează legarea actinei de miozină este ataşat de tropomiozină, fiind format din trei subunităţi denumite: 39
troponina T, care leagă complexul troponinic de tropomiozină în locul un de actina se va lega de miozină, troponina I, care previne legarea miozinei de actină, troponina C, care leagă calciul ce va modifica aranjamentul spaţial al complexului troponinic, permiţând accesul miozinei la actină. Miozina, actina, tropomiozina şi troponina constituie mai mult de 75% din proteinele
totale ale fibrei musculare.
Proteinele accesorii cu rol în ataşarea, dispunerea şi alinierea spaţială a miofilamentelor includ: titina (conectina), o proteină elastică care conectează filamentele g roase (din linia M) de discul Z, nebulina, o proteină ataşată de discul Z, dispusă paral el cu miofila-mentele de actină, α-actinina, o moleculă alungită care ajută la ancorarea filamentelor de actină de discul Z, miomesina, o proteină care contribuie la ataşarea filament elor groase la nivelul liniei M, proteina C , o proteină cu funcţii asemănătoare cu cele ale miomesinei.
Se pare că există peste 20 tipuri de proteine reglatoare care contribuie la menţinerea integrităţii structurale şi funcţionale ale sarcomerului. Într -o secţiune longitudinală prin fibra musculară scheletală, miofibri -lele dispuse în coloane paralele formează coloanele lui Leydig, iar în î n se cţiune transversală ele apar grupate în câmpurile Conheim, cu dispunerea miofila-mentelor sub formă hexagonală. hexagonală.
Mecanismul contracţiei musculare în fibra musculară striată scheletală Contracţia voluntară a musculaturii striate scheletale este sub influenţa sistemului nervos somatic.
Fiecare fibră musculară striată este inervată de fibre nervoase motorii cu origine în motoneuronii din coarnele anterioare ale măduvei spinării, care îşi trimit axonii spre fibrele musculare scheletale unde vor stabili un t ip special de sinapsă, denumită placă neuromotorie neuromotorie . La acest nivel fibra nervoasă îşi pierde teaca de mielină, fiind acoperită numai de celula Schwan şi lamina sa bazală, iar axonul se ramifică într -un număr de ramuri terminale, fiecare dintre acestea fiind situate în depresiuni ale membranei celulei musculare. Acetilcolina eliberată în spaţiul sinaptic se leagă de receptorii specifici de la nivelul sarcolemei, care devine mai permeabilă pentru ionii de sodiu şi se va depolariza. Impulsul nervos ce dete rmină depolarizarea membranei plasmatice se propagă de -a lungul celulei musculare şi se continuă, via sistemul "T" tubu-lar, spre interiorul fibrei musculare.
La nivelul triadelor, unda de depolarizare propagată determină deschi -derea canalelor de calciu din membrana reticulului sarcoplasmic şi eliberarea în citoplasmă a ionilor de calciu stocaţi în cisternele reticulului sarcoplasmic (Fig. 27).
40
Ionii de Ca2 difuzaţi se vor lega de subunitatea C a troponinei, iar complexul troponinic va suferi o modificare conformaţională ce va deplasa tropomiozina în profunzime,
eliberând astfel locurile de legare ale miozinei de pe molecula de actină. Mecanismul molecular al contracţiei musculare constă în glisarea fila -mentelor groase -comerelor prin apropierea de miozină de-a lungul filamentelor subţiri, cu scurtarea sar -comerelor discurilor Z, proces care se realizează cu consum de energie metabolică furnizată prin hidroliza legăturilor macroergice din mo-lecula de ATP. Premergător contracţiei, capetele globuloase ale moleculei de miozină vor fixa ATP; datorită activităţii lor ATP -azice vor hidroliza imediat ATP-ul, energia rezultată va fi înmagazinată, înmagazinată, iar produşii de clivaj ADP şi Pi vor ră -mâne ataşaţi de cap, care în această etapă este perpendicular pe filamentul de actină, fără a se leaga încă de acesta. Eliberarea situsurilor active de pe filamentul de actină (prin legarea io -nului Ca2 la troponina C) va permite legarea l egarea complexului miozină-ATP de subunitatea G a filamentului de actină. Interacţiunea dintre capul moleculei de miozină şi situsul activ al filamentului de actină determină eliberarea fos-fatului anorganic care generează o forţă ce roteşte capul miozinei cu 45˚ şi împinge filamentele subţiri printre cele groase, spre centrul sarcomerului. La sfârşitul ciclului, pe locul eliberat se va lega o nouă moleculă de ATP, care va provoca detaşarea detaşarea capului miozinei de de pe monomerul monomerul filamen -tului de actină. Noua moleculă de ATP care a fost f ost legată, va fi la rândul său descom - pusă, pusă, iar energia degajată va fi înmagazinată şi va aşeza capul miozinei în poziţia sa iniţială, gata pentru a începe un nou ciclu. Desfăşurarea unui ciclu necesită hidroliza unei molecule de ATP, care asigură o deplasare a filamentului subţire c u 7 nm, iar pentru producerea u nei contracţii musculare sunt necesare sute de astfel de cicluri.
Organizarea Organizarea şi contracţia fibrei musculare striate cardiace
Muşchiul cardiac este format din celule musculare scurte care se ra -mifică şi se anastomozează între ele, formând o reţea. Contracţia fibrei muscula re cardiace este ritmică, automată şi involuntară. Celule au lungimea de aprox. 100 µm şi diametrul de 15 -20 µm. În mi-croscopia optică prezintă striaţiuni transversale şi longitudinale date de un a -ranjament al filamentelor de actină şi miozină similar celui din fibra muscu-lară striată scheletală. Învelişul celular este asemănător ca structură cu cel al fibrelor musculare striate scheletale (alcătuit din plasmalemă, glicocalix şi reţeaua conjunctivo-reticulară), dar este ceva mai subţire. Plasmalema pre-zintă invaginări sub forma caveolelor şi a tubilor transversali "T". În contrast cu fibrele musculare striate scheletale, celulele cardiace sunt solidarizate la extremităţi prin joncţiuni intercelulare alcătuite din desmozomi, ce solidari -zează celulele între e le, fascia adherens şi joncţiuni de comunicare, ce facili -tează comunicarea între celule şi sincronizarea contracţiei acestora. Aceste structuri sunt vizibile în microscopia optică sub forma unor benzi groase, hipercrome, dispuse transversal, denumite discuri intercalare sau intercalare sau striile striile sca-lariforme ale lui Eberth. 41
Fibra musculară cardiacă prezintă un singur nucleu dispus central, cu formă de bastonaş, cu axul mare orientat în lungul celulei, ceea ce permite diferenţierea acesteia de celula musculară striată scheletală, care este multi -nucleată şi prezintă nucleii dispuşi periferic.
Sarcoplasma este acidofilă şi mai abundentă decât la fibrele musculare scheletale. În regiunea juxtanucleară există un spaţiu în care sunt concentrate orga nitele celulare (mitocondriile, aparatul Golgi) şi lipofuscină, dar lipsesc miofibrilele. În atrii, în regiunea juxtanucleară sunt concentrate granule atriale cu diametrul de 0,3 -0,4 µm, ce conţin doi hormoni polipeptidici: factorul na-triuretic atrial şi factorul natriuretic cerebral. Ambii hormoni au efect diuretic, inhibă secreţia de renină din rinichi şi a aldosteronului din glanda suprarenală. Reticulul sarcoplasmic nu este atât de bine organizat ca cel al fibrei musculare scheletale. O cisternă terminală a reticulului sarcoplasmic formea-ză împreună cu un tub T, la nivelul discului Z, o diadă. Sistemul T tubular este mai larg şi mai bine reprezentat decât în muşchiul scheletal (Fig. 29). Contracţia fibrei musculare cardiace se face după un mecanism depen -dent de concentraţia Ca+2 din citosol, asemănător cu cel din fibra musculară scheletală. Organizarea Organizarea fibrei musculare netede
Fibrele musculare netede formează musculatura intrinsecă a tractului digestiv şi genitourinar, tunica medie a vaselor de sânge, musculatura căilor res piratorii. Fibre musculare organizate în fascicule sunt întâlnite în iris şi corpul ciliar al ochiului, formează muşchiul ex. splina, prostata). erector al firelor de păr, de ase -menea apar în capsula unor organe or gane ( ex. splina, Celula musculară netedă are formă de f us us şi poate avea lungimi cu -prinse între 20 µm în peretele vaselor mici şi 500 µm în peretele uterului gravid şi grosimea de 3 -8 µm. Fiecare nucleu eucromatic, dis pus central, în formă de bastonaş, cu capetele celulă are un singur nucleu rotunjite, cu 1-2 nucleoli. Când celula se află în stare de contracţie nucleul devine spiralat ca un tirbuşon. Învelişul celular asemănător ca structură cu cel al fibrei musculare striate prezintă câteva particularităţi. Astfel, în relaţie cu membrana plasmatică s -au pus în evidenţă trei zone de specializări morfofuncţionale: caveolele, ariile dense şi joncţiunile intercelulare. Caveolele sunt microvezicule (aprox. 7.000- 15.000/celulă) formate prin invaginarea plasmalemei. Sunt Sunt dispuse în benz benz i paralele cu axul lung al celu lei şi asociate cu mitocondriile şi cisternele reticulului endoplasmic. Se pare că acestea au o funcţie similară cu sistemul tubular din fibra musculară striată şi controlează influxul ionilor de calciu în urma depolarizării mem-branei. Ariile dense sunt zone de ma terial electronodens, ce conţin α -actinină (întâlnită şi la nivelul discului Z din fibra musculară scheletală) cu rol în an -corarea filamentelor de actină. Se pare că aceste arii dense îndeplinesc un rol asemănător cu cel al discurilor Z din fibra scheletală. Joncţiunile intercelulare de tip gap (nexu s) şi de tip macula adherens, existente între fibrele musculare netede, permit răspândirea undei de depolari -zare de la o celulă la alta şi reprezintă substratul morfologic implicat în con -ductibilitate. 42
Sarco plasma
acidofilă conţine concentrate la capetele nucleului mito -condrii abundente, ribozomi liberi, aparatul Golgi şi granule de glicogen. În restul citoplasmei se află răspândite filamentele de actină cu diametrul de 6 -8 nm, printre filamentele de miozină cu diametrul de 8-10 nm.
Aparatul contractil al fibrei musculare netede este mai puţin structura -lizat decât în fibra musculară scheletală sau cardiacă. Contracţiile lente ale fibrelor musculare netede se află afl ă sub controlul sistemului nervos vegetativ şi a unor hormoni.
Contracţia fibrei musculare netede Fibra musculară netedă este specializată pentru contracţia lentă, prelungită. Mecanismul prin care aceasta se realizează diferă de cel al fibrelor mus culare striate. Astfel: filamentele de actină au asociată tropomiozina, dar nu şi troponina; filamentele groase sunt alcătuite din alt tip de miozină decât cel prezent în fibra musculară striată, ce se va lega de actină numai dacă lanţul uşor este fosforilat; când fibra musculară netedă este relaxată, ioni i de calciu sunt seches-traţi în reticulul sarcoplasmic, iar când fibra musculară netedă este în stare de contracţie, calciul difuzează în citoplasmă şi se fixează pe cal -modulină; în urma acestei interacţiuni sunt activate enzime ce fosfori-lează lanţurile uşoare ale miozinei şi îi permite să se fixeze de actină; fibra musculară netedă poate rămâne în stare de contracţie pentru pe -rioade mai lungi de timp, fără să obosească. obosească. Deoarece proteinele contractile sunt dispuse în reţea, celula în stare con -tractată are o formă globuloasă, iar în stare relaxată r elaxată este alungită. Pe lângă contracţie, fibrele musculare netede pot secreta componente ale matricei ţesutului conjunctiv. Astfel, în peretele vaselor sanguine, în uter, celulele musculare m usculare netede au organite dezvoltate pentru a îndeplini funcţia secretorie şi pot produce colagen, elastină; în unele cazuri pot sintetiza lami-nină, proteoglicani, colagen de tip IV. În peretele arteriolei aferente din glo-merulii renali, celule musculare netede din aparatul juxtaglom erular secretă renina, componenta importantă a sistemului renină -angiotensină ce reglează presiunea sanguină. MIŞCAREA AMEBOIDALĂ
Mişcarea ameboidală întâlnită frecvent la protozoare este întâlnită şi la unele celule din organismul omului, cum sunt leuc ocitele sau fibroblastele. Locomoţia ameboidală începe cu emiterea la unul dintre capetele celulei a u- nui pseudopod ce se fixează pe suprafaţa tisulară, iar apoi restul celulei se de - plasează plasează în direcţia direcţia pseudopodului. pseudopodului. Mecanismul locomoţiei locomoţiei ameboidale Emiterea şi retracţia pseudopodelor se bazează pe trecere citosolului din stare de gel în stare de sol şi invers. 43
Prin utilizarea microscopiei electronice s-a constatat că citoplasma pre -zintă două regiuni cu caracteristici diferite: endoplasma, situată central, în stare de sol , ectoplasma, situată imediat sub membrana plasmatică, în stare de gel , nu conţine organite, conţine o reţea tridimensională de filamente de actină interco -nectate de proteinele asociate: filamina, gelsolina, α-actinina.
În procesul de emitere a pseudopodelor endoplasma care este în stare de sol se deplasează la nivelul prelungirilor celulare unde se va transforma în gel. Această modificare reversibilă a citoplasmei din stare de sol în stare de gel se realizează prin depolimerizarea ş i polimerizarea filamentelor de actină care intră în alcătuirea citoscheletului. Un rol important în acest proces îl au ionii de Ca 2. Creşterea concentraţiei acestora determină scindarea filamentelor de actină de către gelsolină şi astfel citoplasma trece în stare de sol. Înaintarea celulei presupune şi aderarea pseudopodului la structurile tisulare. Astfel, porţiunea conducătoare conducătoare devine fixă, iar restul celulei celulei este tras înainte spre spre punctul de fixare. Fibroblastele atunci când prezintă mişcări ameboidale, emit în direcţia de deplasare nişte prelungiri celulare numite lamelipode. Aderenţa la substrat este realizată de structruri speciale numite plăci de adeziune. La extremitatea opusă a celulei rămâne fibra de retracţie, care se poate rupe şi rămâne ataşată la substrat. În timpul deplasării, pe suprafaţa membranei celulare apar ondulaţii ce favorizează înaintarea celulei. MIŞCAREA CILILOR
Mişcările ciliilor de la suprafaţa mucoasei respiratorii sau a mucoasei trompelor uterine ale tractului genital sunt mişcări sacadate. La nivelul căilor respiratorii mişcările sacadate ale cililor deplasează în direcţia faringelui mucusul şi particulele pe care le conţine, cu o viteză de 1 cm pe minut, realizând curăţirea permanentă a acestor căi. În trompele ute rine cilii mobilizează lichidul şi ovulul către cavitatea uterină. În aceste procese cilul execută o mişcare rapidă spre înainte, în -clinându-se în unghi ascuţit faţă de suprafaţa celulei şi împinge lichidul aflat la suprafaţa celulei în direcţia deplasării cilului. După fiecare înclinare cilul se retrage lent spre înapoi, realizând o mişcare de unduire, care nu are însă nici un e fect asupra lichidului. Mecanismul mişcării cilului. Nu toate aspectele legate de mişcările ci -lului sunt clare, dar s-a constatat că: îndepărtarea membranei cilului şi a altor elemente structurale, dar cu păstrarea axonemei nu afectează mişcarea cilului, mişcarea cililor necesită prezenţa ATP şi concentraţii adecvate ale ionilor de Mg 2 şi Ca2, dineina are proprietăţi ATP -azice, pentr u realizarea mişcării spre înainte
a cilului, microtubulii din regiu -nea frontală a cilului alunecă în afară spre vârful cilului, iar cei din par -tea opusă rămân pe loc. 44
Există defectele genetice privind codificarea proteinelor ciliare. În aceste condiţii elementele structurale ale cililor sunt afectate sau chiar lipsesc. Aceste modificări determină perturbări de coordonare a mişcării cililor, cu apariţia sindromului cililor imobili. Tulburări -mina: dextrocardia (cordul se găseşte în dreapta), când în ale motilităţii cililor pot deter -mina: timpul embrioge-nezei datorită defectelor cililor se produce o deplasare anormală a celulelor foiţelor embrionare; infertilitatea, prin afectarea transportului ovocitului prin trompa uterină; infecţii ale căilor respiratorii, prin stagnarea mucusului, ur-mată de multiplicarea bacteriilor.
NUCLEUL
Nucleul este o componentă celulară prezentă în toate celulele eucariote, cu excepţia hematiilor adulte şi a trombocitelor. El a fost descoperit în urmă cu peste două secole (1781) de către Fontana, dar conceptul de c elule nucleate a fost enunţat abia în secolul următor (1833) de către Brown. Nucleul are un rol primordial în viaţa celulei, îndeplinind în esenţă două funcţii foarte importante: stocarea codului genetic şi transmiterea (perpetuarea) informaţiei gene-tice de-a lungul generaţiilor, la nivelul său aflându -se marea majoritate a ADN-ului celular, care reprezintă aprox. 20% din masa nucleului; reglarea şi controlul tuturor proceselor vitale care au loc la nivel celular. Structura nucleului diferă în funcţie de fazele ciclului celular. Astfel, în interfază
(perioada dintre două diviziuni) se descrie nucleul interfazic sau metabolic, alcătuit din: învelişul nuclear, care separă conţinutul nucleului de cel al cito -plasmei; matricea nucleară, care conţine încorporate în ea alte două compo -nente ale nucleului: nucleolul şi cromatina. În timpul diviziunii celulare învelişul nuclear dispare, nucleolul de ase -menea, iar cromatina se organizează sub formă de cromozomi. Marea majoritate a celulelor eucariote prezintă un singur nucleu, dar e -xistă şi celule binucleate cum ar fi hepatocitele, dintre care 7-10% prezintă doi nuclei. Există şi celule care în mod normal sunt multinucleate. Unele dintre acestea prezintă zeci de nuclei, ca osteoclastele, care au până la 60 de nuclei, sau chiar sute, cum sunt fibrele musculare striate, ce au până la 200 de nuclei. Celule multinucleate pot apare însă în diferite situaţii patologice, cum ar fi celulele Langhans din infecţia tuberculoasă sau celulele de corp străin. Celule pot deveni multinucleate prin unul din cele două mecanisme: nucleul unei celule se divide de mai multe ori fără ca aceste diviziuni să fie urmate de plasmodiu; diviziunea citoplasmei şi separarea în celule fiice, rezultând astfel un plasmodiu; mai multe celule uninucleate pot fuziona formând un sinciţiu. Forma nucleului este adaptată în funcţie de forma celulei, astfel:
celulele sferice, cubice, poliedrice au nucleul sferic; celulele prismatice au nucleul oval; celulele pavimentoase au nucleul aplatizat; celulele fusiforme au nucleul alungit. 45
Există însă şi excepţii de la această regulă. Astfel, leucocitele granulare din sânge sunt celule sferice şi au un nucleu lobat, format din mai mulţi lobi uniţi între ei. În cele mai multe cazuri, nucleul este dispus central în celulă, dar în a -numite stări funcţionale el poate ocupa şi alte poziţii. Astfel, în celulele glan -dulare, în care la nivelul polului apical se acumulează granule de secreţie, nucleul este împins înspre polul bazal, iar în celulele adipoase nucleul este împins la periferie de către lipidele acumulate în citoplasmă. Dimensiunile nucleului diferă în funcţie de tipul celular, vârsta celulei, activitatea sa metabolică, etc. În medie, nucleul celulelor eucariote are di -ametrul cuprins în tre 5-25 m. Celulele tinere, cu metabolism activ au nu cleu mare, eucromatic, iar celulele îmbătrânite au nucleu mic, heterocromatic.
Între volumul nucleului şi volumul citoplasmei se stabileşte un raport cunoscut sub numele de raport nucleo-citoplasmatic, care poate varia în li mite largi, de la 1/3 la 1/10. Cu cât celula este mai tânără şi mai activă, cu atât nucleul este mai mare. În anumite situaţii patologice, cum ar fi cazul formaţiunilor tumorale (în care toate celulele sunt tinere), determinarea aces-tui raport reprezintă un test cu valoare de diagnostic. Valoarea raportului nucleo-citoplasmatic (RNC) se determină după for -mula: -mula: Vn RNC ----------Vc - Vn
în care: Vn volumul nucleului; V c volumul celulei. Când raportul nucleo -citoplasmatic al unei celule atinge valoarea maxi-mă, celula intră în diviziune, în urma căreia se restabileşte RNC normal.
STRUCTURA NUCLEULUI INTERFAZIC
Nucleul interfazic inter fazic sau metabolic prezent în
celulele eucariote aflate în interfază are o
structură tipică, constituită din: învelişul nuclear; matricea nucleară (nucleoplasma). Învelişul nuclear este un sistem special de endomembrane, care separă conţinutul nuclear de citosol. El este alcătuit din cisterna perinucleară, conti -nuă, străbătută din loc în loc de porii nucleari. Cisterna perinucleară este for -mată din următoarele compo nente: membrana nucleară externă; membrana nucleară internă; spaţiul cisternal (spaţiul perinuclear intermembranar); i ntermembranar); porii nucleari.
Cele două membrane au structura similară tuturor endomembranelor (li -poproteice) dar compoziţia lor chimică este puţin diferită în sensul că în structura lor predomină proteinele, aprox. 70%. 70%. Lipidele reprezintă reprezintă 20%, iar restul restul sunt glucide. Membrana nucleară externă are grosimea de 6 nm. Ea este în continui -tate din loc în loc cu membranele reticulului endoplasmic rugos şi poate avea ataşaţi ribozomi pe faţa ei 46
dinspre citoplasmă. Pe lângă ribozomi, membrana nucleară externă mai prezintă numeroase puncte de ancorare ale citoschele-tului, respectiv pentru ancorarea microtubulilor şi a filamentelor de actină. Membrana nucleară nucleară internă are grosimea de 7-8 nm. Ea are un contur continuu şi mai rigid decât membrana externă, deoarece sub ea, pe faţa nu -cleoplasmatică, există o reţea proteică cunoscută sub denumirea d enumirea de lamina fibrosa sau lamina nucleară, asemănătoare unui citoschelet. Această forma-ţiune are o grosime variabilă şi este compusă dintr -o reţea fibroasă de natură proteică, în care intră trei polipeptide denumite laminele A, B şi C, care au capacitatea de a se lega specific de proteinele membranei nucleare interne. Secvenţ a aminoacizilor acestor lamine este analoagă cu cea a proteinelor fi -lamentelor intermediare ce intră în componenţa citoscheletului. Laminele au şi capacitatea de a se lega de regiunile de cromatină nucleară, ancorând astfel cromozomii interfazici de învelişul nuclear (membrana internă). Spaţiul cisternal este delimitat de cele două membrane (internă şi externă) şi are o grosime variabilă cuprinsă între 10 -60 nm, care poate creşte mult în unele situaţii patologice. În acest spaţiu au fost puse în evidenţă histone, imunoglobuline, apă, molecule mici solubile şi uneori chiar virusuri încapsulate. Din loc în loc, spaţiul cisternal comunică cu reticulul endoplasmic ru-gos. Porii nucleari
sunt orificii ce străbat din loc în loc învelişul nuclear la toate celulel e eucariote. La nivelul porilor membrana nucleară externă fuzio -nează cu membrana nucleară internă, astfel încât cele două membrane se află afl ă în continuitate. Numărul şi distribuţia porilor diferă în funcţie de specie şi de tipul celular. La mamifere constituie 10% din suprafaţa învelişului nuclear şi au o distribuţie ordonată. Arhitectura porilor a determinat introducerea termenului de complex al porului sau complex por. În structura complexelor porale intră niste proteine numite nu -cleoporine, care sunt grupate în: componenta columnară ce constitue suprafaţa internă a porului nuclear, componenta anulară care este constituită din două octogoane, unul pe frontul citoplasmatic si unul pe frontul nuclear al porului nuclear: octogoanele sunt realizate de câte opt nucleoporine şi sunt concentrice, componenta luminara este reprezentata de proteine transmembranare care leaga complexul poral la invelisul nuclear.
De la periferia porului nuclear pornesc niste filamente spre citoplasmă, iar altele spre interiorul nucleului. Aici se ancoreaza la o structura în forma de inel. Porii nucleari sau complexele porale au o mare importanţă pentru că permit transportul selectiv al unor molecule sau ioni din interiorul nucleului în citosol şi invers, din citosol în nucleu. Astfel, în interiorul nucleului vor pătrunde prin complexele pora le enzime necesare sintezei ADN, proteine, aminoacizi, ioni. Invers, din nucleu în citoplasmă sunt transportaţi precursori ribozomali sintetizati sintetizati sau produsi produsi în nucleol. Complexele porale au î n general un diametru de aproximativ 9 nm, de aceea molecule sau ioni cu dimensiuni mai mici trec liber prin complexele porale. Molecule mai mari însă pot să treaca printr-un transport activ într -o direcţie sau în cealaltă . În acest proces de transport intervin două tipuri de moelecule, RAN ş i karioferine (importine, exportine). Pentru a fi r ecunoscute ecunoscute moleculele ce urmează a fi transportate prin porii nucleari intervin nişte semnale ş i anume semnalul de localizare nucleara (NLS) şi semnalul de export 47
nuclear (NES). NLS-ul este o secvenţă de 3, 4 aminoacizi (de obicei lizina, arginina, prolina) aflată î n structura unor peptide. Importinele prezintă o porţ iune α şi o porţiune β. Porţiunea α recunoaşte NLS-ul din structura proteinei şi leagă proteina respectivă. În prezenţa Ran-GTP, complexul realizat se leaga la nucleoporine apoi patrunde în interiorul nucleului. Î n mod asemănător exportinele recunosc proteinele care au î n structura lor NES-ul, complexul format se ataşază la nucleoporine. Molecula respectivă va fi exportata astfel în citosol. Energia necesară procesului este stocata în gradientul transmembranar, Ran-GDP ce se află în concentraţie mai mare în citosol, iar Ran-GTP în nucleu.
Matricea nucleară (carioplasma, cariolimfa) reprezintă acea parte a nu cleului care în mod aparent este lipsită de structură. Ea apare ca o masă incoloră în care se evidenţiază alte două componente nucleare: nucleolul şi cro -matina. După extragerea cromatinei şi a nucleolului, rămâne matricea nucleară propriu -zisă, alcătuită dintr-o reţea proteică stabilă, cu greutate moleculară mare. Cea mai mare parte a proteinelor o reprezintă reprezintă proteinele nonhistonice, nonhistonice, urmate de nucleoplasmină. nucleoplasmină. Matricea nucleară este o structură labilă, dinamică, capabilă de contrac tilitate. Ea reprezintă, prin analogie cu citoscheletul, un adevărat nucleoschelet. În afară de această reţea proteică, matricea nucleară mai conţine: apă, ioni, molecule mici, enzime specifice, etc. Matricea nucleară are rol esenţial în:
determinarea formei nucleului; medierea acţiunii unor hormoni;
medierea acţiunii unor enzime specifice ale unor procese glicolitice, în sinteza NAD (nicotin adenin dinucleotid) şi altele. NUCLEOLUL
La microscopul optic, în celulele fixate, nucleolul apare ca un corpuscul bazofil, mai refringent decât carioplasma înconjurătoare. Nucleolul este evident numai în nucleul interfazic, dispare în timpul diviziunii celulare şi reapare la sfârşitul mitozei, când se reorganizează din componente ale unor cromozomi care poartă numele de organizatori nucleolari. El este prezent în nucleul tuturor celulelor eucariote nucleate, lipsind doar în celulele embrionu-lui (nu se produce încă sinteză proprie). Nucleolul nu este delimitat de membrană. În general are forma sferică şi este dispus mai mult sau mai puţin central în nucleu, dar în momentul când se eliberează în citoplasmă ARN-ul, el se deplasează spre învelişul nuclear. Odată cu îmbătrânirea, nucleolul capătă o formă din ce în ce mai neregulată. Nucleolul are densitatea cea mai mare dintre toate structurile celulare. Dimensiunea medie a nucleolului este de 1-3 m. Este mai mare şi mai dens în ex. celule secretorii, neuroni) şi mai mic în cele cu celulele cu activitate metabolică intensă ( ex. celule activitate mai redusă ( ex. celule epiteliale). În general, nucleolul are d imensiuni mari în celulele care prezintă creştere rapidă. Cei mai mari nucleoli se întâlnesc în celulele maligne,
unde poate ajunge să ocupe până la 30% din masa nucleului şi să prezinte forme f orme aberante. Numărul nucleolilor este variabil. Cel mai frecvent într -un nucleu există un singur nucleol, dar uneori pot fi prezenţi mai mulţi. În anumite limite numărul nucleolilor este 48
corelat cu gradul de ploidie, existând de obicei câte un nucleol pentru fiecare set cromozomial.
La microscopul electronic, nucleolul prezintă trei componete: componenta granulară (pars granulosa) alcătuită din granule mici cu di ametrul de 15-
20 nm; este componenta majoritară a nucleolului, fiind formată din precursorii ribozomilor, respectiv particule ale subuni-tăţilor ribozomale aflate în diferite stadii de maturare;
componenta componenta fibrilară (pars fibrosa) numită şi nucleonemă, alcătuită din: o fibrile fine, cu diametrul de 5 nm, reprezentând ADN -ul com-plementar pe baza N-ului căruia se induce sinteza ARNr, ele corespund transcripţiei genelor AR N-ului ribozonal, de la care începe for -marea -marea ribozomilor, o subunităţi de 45 S, reprezentând produsul produsul primar rezultat în urma transcripţiei, componenta amorfă (pars amorpha) constituită din elemente ale cario -plasmei, respectiv apă, molecule mici, electroliţi şi care ocupă zonele libere dintre granulele şi
filamentele nucleolului.
În compoziţia chimică a nucleolului intră ADN, ARN şi proteine. ADN-ul reprezintă 3% din masa nucleolului. El intră în alcătuirea orga nizatorilor nucleolari, care sunt nişte bucle ale perechilor de cromozomi 13, 14, 15, 20 şi 21, care pătrund în nucleol şi sunt răspunzătoare de sinteza ARNr şi a proteinelor ribozomale. Organizatorii nucleolari controlează şi formarea nucleolilor. Astfel, la sfârşitul mitozei se formează 5 nucleoli co-respunzând câte unul pentru fiecare din cei 5 cromozomi mai sus menţionaţi şi -un singur nucleol. care ulterior vor fuziona într -un ARN-ul ocupă 7% din masa nucleolului, fiind constituit din ARNm (ARN mesager), ARNr (ARN ribozomal) care se sintetizează în nucleol şi ARNt (ARN de transfer sau de transport) aflat în tranzit prin nucleol. Proteinele ocupă 90% din masa nucleolului. Aceste proteine provin din citoplasmă şi ele sunt reprezentate de enzimele implicate în transcriere şi de precursorii ribozomali. Funcţiile nucleolului sunt următoarele: biogeneza subunităţilor ribozomale , funcţia principală a nucleolului, ca -re începe prin copierea de pe buclele cromozomilor (organizatorilor nucleolari) a genelor care codifică ARNr şi proteinele ribozomale şi apoi urmează sinteza ARNr şi stocarea
precursorilor ribozomali ribozomali înainte de a fi transportaţi transportaţi în citosol; stocarea şi transferul ARNt şi mai ales ARNm, prin care codifică sec -venţialitatea proteinelor celulare şi extracelulare, extracelulare, astfel că nucleolul re- prezintă prezintă o staţie de tranzit în transmiterea ARNm şi ARNt în citoplas-mă; pregătirea celulelor pentru diviziunea mitotică, fiind demonstrat faptul că celulele cărora li s-a distrus nucleolul nu se mai divid.
49
CROMATINA
NUCLEARĂ
Cromatina este un material nuclear care pe coloraţiile histologice are o mare afinitate faţă de coloranţii bazici. Când cromatina este rarefiată nucleul se colorează slab (nucleu eucromatic), iar când este mai condensată se colo -rează intens baz ofil (nucleu heterocromatic). Cromatina reprezintă partea vi -zibilă la microscopul optic a cromozomilor în interfază. Cromatina şi cromo -zomii sunt de fapt două aspecte ale aceluiaşi material nuclear şi anume ADN (cromozomii reprezintă aspectul din mitoză şi cromatina aspectul din inter -fază). În interfază cromatina reprezintă forma relaxată (desfăşurată) a cromo -zomilor, iar în cursul diviziunii cromatina formează structurile condensate ale cromozomilor. În interfază cromatina se prezintă sub două aspect e: eucromatina, o reţea de filamente fine, mai slab colorate; heterocromatina, heterocromatina, blocuri condensate condensate şi intens colorate. Din punct de vedere vedere biochimic, cele cele două tipuri de cromatină cromatină au aceeaşi aceeaşi compoziţie: ADN, proteine histonice şi nonhistonice şi cantităţi foarte mici de ARN. Diferenţa morfologică dintre ele este dată de gradul diferit de spiralizare a ADN -ului. Acesta este intens spiralizat în heterocromatină şi slab spiralizat în eucromatină. fiind mai laxă este accesibilă transcrierii mesajului deţi -nut de moleculele de ADN. Ea este de două feluri: eucromatina activă , care este transcrisă continuu; eucromatina permisivă , care este transcrisă cu intermitenţă, numai în urma unei inducţii enzimatice. Eucromatina
este înalt condensată şi inactivă pentru transcripţia ADN -ului. Există două feluri de heterocromatină: heterocromatina heterocromatina constitutivă care este constant condensată şi conţine gene care nu se transcriu; în cromozomi ea este situată pe lângă centro -meri şi constituie 15% din Heterocromatina
ADN-ul repetitiv;
heterocromatina facultativă prezintă regiuni condensate doar în anu-mite celule, reflectând diferenţe stabile de activitate genetică între diferitele tipuri de celule ale unui organism. Celulele embrionare au o heterocromatină
redusă pe când cele în alt specializate au o cantitate mare, ceea ce înseamnă că pe măsură ce se dezvoltă celulele, din ce în ce mai multe gene sunt inactivate. De regulă, heterocroma -tina facultativă conţine gene structurale represate care s-au transcris sau se vor transcrie în tr-un anumit stadiu evolutiv al celulei. Raportul eucromatină/heterocromatină reprezintă un indiciu al activită -ţii metabolice. Astfel, un nucleu cu multă eucromatină are ADN -ul relaxat şi aici sunt transcrise mai multe gene, fiind caracteristic unor celule cu activitate metabolică intensă. Un nucleu cu multă heterocromatină are ADN -ul condensat şi aici genele nu se transcriu, ceea ce caracterizează celulele cu ac-tivitate metabolică redusă.
50
CROMOZOMII
În nucleul interfazic cromozomii sunt prezenţ i la nivelul cromatinei nucleare, respectiv în eucromatină şi heterocromatină. Ei se individualizează în timpul diviziunii celulare când pot fi evidenţiaţi uşor, datorită unui fenomen de condensare şi spiralizare. Cromozomii metafazici sunt cel mai uşor de ob-servat la microscop şi ei au dimensiuni variabile între 1,5 şi 10 m.
Cromozomii reprezintă o caracteristică de specie, fiind în număr con -stant la o anumită specie. Ei au rol important în transmiterea ereditară a ca -racterelor. Acestea sunt determinate de gene, gene, iar genele sunt localizate în cromozomi. Genele Genele sunt constituite constituite din acizi nucleici, care reprezintă suportul material al eredităţii. Fiecare specie şi fiecare individ are propriul său program genetic înscris în genele din cromozomii săi. Mater ialul genetic este reprezentat de ADN. Gena este o porţiune din molecula de ADN, iar in -formaţia este stocată în genă sub formă codificată. O genă cuprinde 300 -1.500 nucleotide, iar cromozomii umani conţin peste 30.000 de gene. Marea majoritate a materialului genetic se găseşte în cromozomi şi o parte foarte mică se află în mitocondrii. Transmiterea informaţiei genetice se realizează astfel: în faza S (sintetică) a ciclului celular se produce replicarea ADN -ului din cromozomi, ADN-ul nou sintetizat fiind o replică (o copie) a secvenţei de nucleotide din ADN -ul iniţial şi conţine aceeaşi informaţie ge -netică. În cursul diviziunii celulare, ADN -ul cromozomial se împarte în mod egal la cele două celule fiice care vor avea aceeaşi informaţie genetică ca şi generaţia precedentă. Din punct de vedere biochimic, cromozomii sunt alcătuiţi din ADN, proteine histonice şi nonhistonice precum şi o cantitate foarte redusă de ARN. Din punct de vedere morfologic fiecare cromozom este format din două cromatide surori absolut identice, fiecare cromatidă fiind o moleculă de ADN. Cele două cromatide conţin aceleaşi gene structurale. Extremităţile cromatidelor poartă numele de telomere. Locul în care cele două cromatide se unesc poartă numele de centromer sau constricţie primară. Această zonă este mai puţin colorabilă şi l a microscopul elctronic s-a constatat că este constituită din două formaţiuni cilindrice numite kinetocori, respectiv câte unul pentru fiecare cromatidă. După poziţia centromerului deosebim patru tipuri de cromozomi: metacentrici, cu centromerul situat în, sau imediat lângă centrul cromo zomului, ca urmare braţele unui astfel de cromozom sunt apro ape egale, submetacentrici, când centromerul este plasat excentric şi împarte cro -mozomul în două braţe scurte şi două lungi, subtelocentrici (acrocentrici), cu centromerul astfel dispus încât braţele scurte sunt puţin vizibile,
telocentrici, cu centromerul dispus la unul dintre capetele cromozomu-lui, deci nu
există braţe scurte. La nivelul telomerelor pot să mai existe strangulări care poartă denumi -rea de constricţii secundare.
51
CICLUL CELULAR
Prin ciclul celular se înţelege perioada de timp scursă din momentul în -cheierii diviziunii prin care a luat naştere o celulă şi până în momentul înche -ierii propriei sale diviziuni.
Ciclul celular cuprinde două mari faze: interfaza (perioada dintre două diviziuni),
mitoza (perioada diviziunii celulare). Interfaza nu este o perioadă de repaus
ci o perioadă de activitate meta - bolică bolică intensă în care celula îşi realizează funcţiile specifice şi în acelaşi timp se fac şi pregătirile pentru o nouă mitoză. Interfaza cuprinde trei perioade distincte: perioada G1 sau presintetică, în care
ADN -ul cromozomial are o funcţie heterocatalitică, adică în această perioadă participă la sintez a tuturor tipurilor de ARN şi prin aceasta la sinteza diferitelor tipuri de proteine la nivelul ribozomilor , perioada S sau sintetică, în care ADN -ul cromozomial are o funcţie au -tocatalitică, adică are loc fenomenul de duplicare semiconservativă a ADN -ului cromozomial (2C (2C4C), perioada G2
sau postsintetică în care ADN -ul îşi reia funcţia heteroca -talitică, masa citoplasmatică creşte, se acumulează substanţe energetice necesare procesului de mitoză şi se sintetizează proteinele aparatului mitotic. În ciclul celular există anumite puncte de restricţie pe care celula trebuie să le depăşească pentru a putea parcurge etapele următoare. Dacă celula nu este capabilă să -l depăşească, depăşească, evoluţia ei se opreşte în etapa ciclului celular situată imediat înaintea punctulu i de restricţie. Cel mai important punct de restricţie este situat la trecerea din perioada G 1 în perioada S.
Ca durată în timp, ciclul celular este de aproximativ 16 ore în culturi ce lulare (G1 5 ore, S 7 ore, G 2 3 ore, M 1 oră). Între diferitele diferit ele tipuri de celule din organism există mari diferenţe în ceea ce priveşte durata ciclului celular. Astfel, există:
celule cu ciclul celular scurt, de aproximativ 72 ore, cum sunt enteroci-tele, celule cu ciclul mediu, cum sunt celulele epidermului, cu ciclul celular de 30 zile, sau hepatocitele cu un ciclu de aproximativ 100 zile, celule au ciclul lung de mai multe luni de zile, cum sunt celulele cartilaginoase, cartila ginoase, celule perpetue, cum ar fi neuronii sau fibrele musculare cardiace, a că -ror ciclu
durează cât viaţa individului. Sub aspectul desfăşurării ciclului celular, celulele se împart în: î n:
celule statice, celule în transit,
celule stem (matcă, suşă, precursoare).
Celulele statice sunt celule foarte specializate cum ar fi neuronii, fibrele musculare cardiace şi scheletale, care sunt situate în faza G 1 a ciclului celular, fază de care nu trec
niciodată.
52
Celulele în tranzit cuprind cea mai mare parte a celulelor din organism. Ele sunt capabile de 1-2 cicluri celulare, după care îşi pierd capacitatea de diviziune. Ele sunt înlocuite mereu cu celule noi provenite din celule pre-cursoare. Celulele stem sunt reprezentate de un număr
redus de celule, ce îşi păs -trează proprietatea de diviziune pe tot parcursul vieţii individului. În mod normal, aceste celule stem se află într -o fază blocată a ciclului celular (G 0) de unde nu ies decât în urma acţiunii unor stimuli.
Ciclul celular poate fi influenţat de:
factori generali ca: temperatura, lumina, ritmul circadian, hormoni (ex. (ex. hipofizari, tiroidieni), factori intracelulari ca: o modificarea raportului nucleo-citoplasmatic, o factorii de creştere ai fibroblastelor, condrocitelor, celulelor epi-dermice,
factori genetici, în programul genetic fiind înscris numărul de cicluri celulare pe ex. fibroblastee au 50 de cicluri), care celula îl poate desfăşura ( ex. fibroblastee factori intercelulari, adică mesageri chimici veniţi de la alte celule; în vecinătatea unor celule care mor, alte celule intră în mitoză; există apoi hormoni locali (chalone) care induc mitoze la distanţă, în celule din acelaşi ţesut. Există o seama de antimitotice utilizate în scop terapeutic cum ar fi: ci -tostaticele, radiaţii ionizante, etc. o
MITOZA
Mitoza (mitos-filament) este modalitatea
normală de diviziune a ce -lulelor somatice. Ea se mai numeşte şi diviziune indirectă, pentru că mo -dificările din nucleu le preced pe cele din citoplasmă. Mitoza este ecuaţională pentru că celulele fiice dobândesc aceeaşi cantitate de ADN şi acelaşi cariotip ca şi celula mamă (2n, 2C). Mitoza este un proces biologic esenţial care stă la baza creşterii şi dife-renţierii celulare, reînnoirii celulelor, reparării ţesuturilor, formării şi creşterii tumorilor. Ea se împarte în patru faze (Fig. 35): profaza, metafaza, anafaza, telofaza. Durata mitozei la om este de circa 60 minute, iar fazele au o durată inegală. Astfel, profaza durează durează 30 minute, metafaza metafaza 8 minute, anafaza anafaza 4 mi -nute, iar telofaza 18 minute. Profaza debutează prin apariţia celui de -al doilea centriol, fără alte modificări vizibile la nivelul nucleului sau citoplasmei. Apoi cei doi centrioli migrează fiecare înspre un pol al
celulei, iar între ei se dispun filamentele care vor alcătui fusul de diviziune. Concomitent au loc fenomene nucleare, marcate prin dispariţia nucleolilor, condensarea cromatinei şi individualizarea cromozomilor, care se dispun cap la ca p şi constituie o formaţiune numită spirem. În continuare cromozomii se individualizează, învelişul nuclear se dizolvă şi astfel nucleoplasma (împreună cu cromozomii) se amestecă cu citosolul. După dezorganizarea nucleului, fusul de diviziune tinde să ocupe poziţie centrală în celulă. 53
se derulează în continuarea profazei şi începe prin ataşarea cromozomilor la filamentele fusului de diviziune, în zona ecuatorială a aces -tuia, alcătuind placa ecuatorială metafazică. La nivelul acesteia, axa lungă a fiecărui cromozom este perpendiculară pe axa fusului mitotic, fiecare cro-matidă fiind legată de o fibră din fus, prin intermediul kinetocorului. Ulterior are loc clivarea (despicarea) longitudinală a cromozomilor cu separarea celor două cromatide surori, rezultând astfel două seturi de cromozomi monocro Metafaza
matidici. Anafaza
se caracterizează prin faptul că în cursul ei cele două seturi de cromozomi se vor deplasa treptat înspre polii celulei (unul spre un pol iar ce -lălalt spre polul opus). Telofaza începe când cele două seturi de cromozomi ajung la cei doi poli ai celulei. În continuare, fusul de diviziune se dezorganizează, iar cro -mozomii se aşează cap la cap refăcând spiremul, care ulterior se va transfor -ma într -o reţea de cromatină. Apoi, în jurul cromatinei se reorganizează în -velişul nuclear şi se reface nucleolul. În zona centrală a celulei, citoplasma se strangulează treptat, până la separarea completă a celor două celule, feno men numit citodiereză. Vor rezulta astfel două celule fiice, fiecare având o cantitate de ADN egală cu aceea a celulei mamă. Deşi în urma mitozei rezultă două celule cu aceeaşi cantitate de ADN ca şi celula din care au provenit, celulele rezultate nu se vor asemăna întotdea -una din toate punctele de vedere cu celula mamă şi uneori nici între ele. Du pă gradul de asemănare dintre cele două celule fiice şi celula mamă, se descriu patru forme de mitoză: mi toză: mitoza homoplastică numită şi homotipică, în cazul căreia celulele fiice se aseamănă atât între ele cât şi cu celula mamă; această formă de mitoză se întâlneşte numai la celulele nedifenţiate (celule foarte tinere), mitoza heteroplastică sau heterotipică, în cazul căreia celulele rezultate se aseamană între ele, dar nu şi cu celula mamă; celulele rezultat e sunt mai mature (mai diferenţiate) decât celula din care s -au format, de aceea această formă de mitoză se mai numeşte şi mitoză de di -ferenţiere, mitoza homoheteroplastică sau asimetrică, în cazul căreia celulele fiice nu se aseamănă între ele, una semănă cu celula mamă, iar cealaltă este diferită, mitoza de dediferenţiere , care dă naştere la două celule fiice ce se asea -mănă între ele dar nu şi cu celula mamă, acestea fiind mai tinere (mai puţin diferenţiate); această diviziune apare frecvent la limfocite cu for-mare de limfoblaşti. Factorii care determină intrarea celulei în mitoză nu sunt încă toţi pe deplin lămuriţi. Cei care participă într -o măsură mai mare sau mai mică la de -clanşarea acestui proces pot fi împărţiţi în trei mari categorii:
factori generali: generali: temperatura, lumina, unii hormoni (tiroidieni, hipofi-zari), vitamine, etc. factori intracelulari, dintre care cel mai important este modificarea ra-portului nucleocitoplasmatic şi a raportului nucleolo-nuclear; prin creşterea volumului citoplasmei fenomenele celulare nu mai pot fi controlate eficient de nucleu şi în acest caz s e impune intrarea celulei în di viziune cu refacerea unui raport nucleo-citoplasmatic normal, factori intercelulari, care se pare că sunt cei mai importanţi. În fiecare organ sau ţesut
se păstrează, în mod normal, un echilibru între celulele mature (funcţionale), celulele uzate şi 54
celulele care se divid pentru a le înlocui pe cele care se distrug. Ori de câte ori o celulă sau un grup de celule moare, o altă celulă sau alt gru p de celule intră în diviziune, menţinând în condiţii normale un raport corespunzător între cele trei cate gorii de celule. MEIOZA
Meioza: este tipul de diviziune celulară prin celulară prin care se formează formează celulele sexuale sexuale , ovulul şi spermatozoi dul sunt celule haploide (n, C), prin unirea lor se
formează zigotul care este o celulă diploidă (2n, 2C). este alcătuită din două diviziuni succesive, meioza I şi meioza II. o în meioza I are loc înjumătăţirea numărului de cromozomi (diviziune reducţională) în o în meioza II se aseamănă până la identitate cu o mitoză obişnuită (diviziune ecuaţională). Cele două diviziuni meiotice se deosebesc prin modul de repartizare a materia lului genetic la celulele fiice: în anafaza meiozei I migrează s pre cei doi poli ai celulei cromozomi întregi (bicromatidici), nu cromatide separate ca în mitoză. cromatidele surori ale unui cromozom bicromatidic se vor separa şi vor migra spre cei
doi poli ai celulei abia în anafaza celei de a doua diviziuni meiotice. Celulele care au calitatea de a parcurge diviziunea meiotică sunt sper -matocitul şi ovocitul primar. După prima diviziune meiotică vor lua naştere spermatocitul şi ovocitul secundar, care în urma celei de -a doua diviziuni meiotice, vor deveni spermatozoid, respectiv ovul.
La fel ca şi în cazul mitozei, pentru ca o celulă să poată începe procesul de diviziune meiotică, ea trebuie să parcurgă în prealabil faza S şi să -şi du bleze cantitatea de ADN. Numai după aceasta va intra în profaza pr ofaza primei diviziuni meiotice. Meioza I cuprinde aceleaşi faze ca şi mitoza (profaza, metafaza, anafa -za şi telofaza), dar care se realizează diferit. Profaza I prezintă următoarele subfaze: leptoten, în care cromozomii sunt încă alungiţi şi greu de individua -lizat, dar prin declanşarea procesului de spiralizare şi condensare, vor deveni din ce în ce mai vizibili, zigoten, în care cromozomii omologi (din s etul matern şi patern) se aşează unul în dreptul celuilalt, parte cores pondentă cu parte co-respondentă se apropie, se alipesc,
dar nu fuzionează, procesul poar tă tă numele de conjugare, în anumite zon, cromozomii omologi stabilesc legături între într e ei, numite sinapse. pachiten, în care se continuă pr ocesul ocesul de spiralizare a cromozomilor, o devin scurţi şi groşi, legăturile dintre ei devin foatre stânse şi suprapunerea o suprapunerea lor este perfectă, aşa încât o pereche de cromozomi omologi se vede ca unul unul singur, 55
astfel de cromozomi omologi poartă numele de bivalenţi şi în această situaţie celula pare haploidă, legătura foarte strânsă dintre cromatidele omologilor care formează f ormează un bivalent
permite schimbul de fragmente între cromatidele nesurori, fenomen numit
"crossing over". diploten, în care cromozomii încep să se separe longitudinal şi astfel se evidenţiază din nou structura lor bicromatidică: separarea lor nu este completă, ei rămânând încă ataşaţi la nivelul chiasmelor (poziţia de pe cromatidă unde a avut loc fenomenul de cros sing over), astfel perechile de omologi formează tetrade cromozomiale. diachineza, în care segmentele cromatidice se dis pun de o parte şi de alta a chia smei,
se rotesc şi centromerii omologilor se îndepărtează, determinând alunecarea chiasmelor spre telomeri.
În profaza I se produc astfel un număr mare de evenimente dintre care trei sunt mai importante: condensarea cromozomilor, conjugarea şi crossing ove r-ul. Metafaza I se caracterizează prin dispariţia membranei nucleare şi for -marea primului fus de diviziune pe filamentele căruia, la nivelul plăcii ecua -toriale, se ataşază cromozomii. În anafaza I fiecare omolog al unei perechi de bivalenţi se deplasează spre unul din polii celulei (unul spre un u n pol, iar celălalt spre polul opus). Re -zultă în acest fel două celule haploide, dar cu fiecare cromozom bicromati-dic. Telofaza I nu este o fază obligatorie. Uneori la animale se jurul nucleilor şi celula revine la stadiul din interfază. Dar nici în
formează o membrană în această situaţie celula nu
intră în faza S şi nu îşi dublează cantitatea de ADN. (a doua diviziune meiotică) are loc imediat după meioza I, iar ca desfăşurare se aseamănă cu mitoza. Există totuşi câteva diferenţe faţă de mitoză astfel: meioza II nu este precedată de sinteză de ADN; în cursul meiozei II se s e divid celule haploide; în cursul meiozei II cromatidele surori nu mai sunt identice din punct de vedere genetic, datorită schimbului de fragmente între cromatidele nesurori din timpul Meioza II
profazei I (crossing over-ul).
Abia în cursul meiozei II cromatidele surori se despart la nivelul cen -tromerului şi are loc deplasarea lor spre polii celulei deoarece în meioza I s -a produs numai separarea cromozomilor omologi. La sfârşitul anafazei II re-zultă patru nuclei haploizi în care fiecare cromozom este monocromatidic. Astfel, prin două diviziuni succesive, meioza împarte cele patru cromatide ale unui bivalent la patru celule distincte.
56
ORGANITELE CELULARE NEDELIMITATE
DE MEMBRANĂ RIBOZOMII
Ribozomii reprezintă componente deosebit de importante ale comparti -mentului matriceal, datorită rolului lor în sinteza proteinelor. Ribozomii sunt de natură ribonucleoproteică şi sunt prezenţi în toate celulele, atât la proca -riote, cât şi la eucariote, cu excepţia hematiilor adulte. Ei se mai numesc şi citoribozomi, pentru a fi diferenţiaţi de ribozomii mitocondriali care se mai numesc şi mitoribozomi. Ribozomii au fost descoperiţi de George Emil Pal ade cu ajutorul mi-croscopului electronic. Ei apar ca formaţiuni granulare cu dimensiunea de aprox. 30 nm. Ribozomul este un complex format din două subunităţi inegale ca dimensiuni şi inegale în privinţa constantei lor de sedimentare: subunitatea mare, cu
diametrul de 30 nm şi cu o constantă de sedimen -tare de 60 S, are formă sferoidală şi prezintă o mică depresiune înspre subunitatea mică; subunitatea mică, cu diametrul de 10- 20 nm şi cu o constantă de sedi -mentare de 40 S, are o formă alungită, convex -concavă. Cele două subunităţi reunite (adică întreg ribozomul) au constanta de sedimentare 80
S.
Ribozomii sunt formaţi din ARN, proteine, cantităţi mici de apă, ioni (calciu, magneziu), etc.
ARN ribozomal (ARNr) se găseşte în ambele subunităţi ribozomale. A stfel, subunitatea mică conţine o moleculă de ARNr cu constanta de se -dimentare 18 S, iar subunitatea mare conţine trei molecule de ARNr cu constanta de sedimentare 5 S; 5,8 S şi 23 S.
Proteinele ribozomale sunt localizate în interiorul ambelor subunităţi ribozomale, fiind legate mai strâns sau mai lax de moleculele de ARNr. Nu-mărul lor este destul de mare la nivelul ambelor subunităţi ribozomale. Astfel, subunitatea mare conţine 50 de proteine ribozomale, iar subunitatea mică 30. Ribozomii se pot găsi liberi în citoplasmă, sau ataşaţi de membranele reticulului endoplasmic rugos. Ei pot fi observaţi fie izolaţi, fie grupaţi în poliribozomi (polizomi). Numărul de ribozomi ce intră în alcătuirea unui poli-ribozom depinde de mărimea moleculei proteice ce urmează a fi sintetizată. Gruparea în poliribozomi se realizează cu participarea unei molecule de ARNm, care are forma unui filament cu diametrul de 2 nm. Acest filament înşiră ribozomii ca mărgelele pe aţă, trecând prin fiecare granulă ribozomală între subu nitatea
mică şi subunitatea mare a acesteia. După ce proteina a fost sintetizată lanţul polipeptidic se rupe, iar ribozomii se dispersează în cito - plasmă. plasmă. Marea majoritate a particulelor ribozomale la eucariote se găsesc a -samblate tot timpul în poliribozomi şi numai un număr mic sunt dispersaţi în citosol. Poliribozomii pot fi: poliribozomi liberi, poliribozomi ataşaţi de membrana reticulului reticulului endoplasmic. 57
Poliribozomii liberi sunt responsabili de sinteza sunt utilizate pentru nevoile celulei. Ei sunt numeroşi
proteinelor structurale, adică cele ce în celulele nediferenţiate care cresc rapid, precum şi în celulele diferenţiate (sau în curs de diferenţiere) care au nevoie de o cantitate mare de proteine matriceale (ex. (ex. mioblaştii, precursorii eritrocitelor, etc.). Poliribozomii ataşaţi membranelor reticulului endoplasmic sunt re-sponsabili de sinteza proteinelor pentru export ca şi a unor proteine de uz intracelular cum ar fi enzimele lizozomale. Ei sintetizează şi proteinele integrale ale membranei celular e. e. În celulele care sintetizează cantităţi mari de proteine, poliribozomii ataşaţi membranelor reticulului endoplasmic sunt cei care predomină. Exemple de astfel de celule ar fi: hepatocitele, plasmocitele, celulele celulele acinilor pancreatici pancreatici şi ai glandelor sal sal ivare, etc. În funcţie de necesităţile de moment , ribozomii trec din starea liberă în cea ataşată şi invers. Ataşarea ribo zomilor la membrana reticulului en-doplasmic este dirijată de nişte molecule numite riboforine, existente în membrana reticulului. Biogeneza ribozomilor este iniţiată la nivelul nucleolului. Aici are loc transcrierea ARN ribozomal de pe genele situate pe o porţiune cromozomială comună cu organizatorii nucleolari. Imediat după sinteză, ARN-ul este parţial asamblat cu proteine şi formează precursorii ri bozomali, bozomali, adică ai subunităţii mici şi ai celei mari. Subunităţile ribozomale migrează separat în citoplasmă, unde se maturează foarte repede, se asamblează şi asociază proteine citoplasmatice specifice ribozomilor.
Principala funcţie a ribozomilor este aceea că ei reprezintă organitele ci -toplasmatice responsabile de sinteza proteinelor, atât a celor structurale cât şi a celor de export. La nivelul polizibozomilor liberi din citoplasmă se sinteti-zează proteinele structurale, cele utilizat e pentru diviziune, creştere, sau pro -teinele necesare înlocuirii organitelor uzate. La nivelul poliribozomilor ataşaţi membranelor reticulului endoplasmic rugos se sintetizează proteinele de export, cum sunt enzimele, hormonii, anticorpii, etc., care vor fi eliberate din celule, pentru
a fi utilizate în altă parte. CENTRIOLII ŞI FUSUL DE DIVIZIUNE
În citoplasma din vecinătatea nucleului şi adeseori în apropierea com -plexului Golgi se găsesc în mod normal doi centrioli, care împreună formează un organit numit centrul celular. Centriolii sunt structuri microtubulare cu diametrul de 0,15 m şi lungimea de până la 0,5 m, dispuşi perpendicular unul pe celălalt. La microscopul electronic s -a constatat că peretele centri-olului este format din nouă triplete de microtubuli dispuse în jurul unei zone centrale cu aspect omogen. Pentru identificare, microtubulii din fiecare tri plet plet au fost f ost notaţi: cel intern cu A, cel mijlociu cu B, iar cel extern cu C. Cu totul excepţional pot fi observaţi şi centrioli al căror perete este format din nouă dublete de microtubuli sau chiar nouă microtubuli simpli. Fiecare microtubul intern (A) este conectat la un miez cilindric central printr-o spiţă de natură fibrilară. Uneori s -au descris în jurul cilindrului două rânduri de câte nouă sferule ataşate prin punţi individuale de peretel e tubular, aceste formaţiuni fiind numite structuri satelite. Centrul celular este responsabil de iniţierea diviziunii celulare şi forma rea fusului de diviziune. Astfel, înainte de în ceperea profazei, centriolii suferă un proces de duplicare şi 58
fiecare din cele două perechi migrează înspre unul din polii celulei. O serie de microtubuli se vor organiza în jurul fiecărei perechi de centrioli sub forma unei structuri radiare ce poartă numele de aster . Alţi microtubuli vor forma fusul de diviziune care se dis pune între cele două perechi de centrioli. O parte dintre microtubulii fusului de diviziune se întind de la un pol la altul, dar mulţi microtubuli se întind de la unul dintre poli, până la kinetocorul cro matidelor, legând astfel fiecare cromatidă de unul dintre poli. Prezenţa microtubulilor este necesară în timpul diviziunii pentru mi -grarea celor două seturi de cromozomi spre polii celulei, aspect demonstrat de faptul că substanţele medicamentoase care interferează cu polimerizarea tubulinelor ( ex. ex. colchicina, vinblastina, vincristina) blochează celulele în me -tafază şi determină în final moartea celulelor.
INCLUZIUNILE INCLUZIUNILE CELULARE
Dacă organismul dispune la un moment dat de anumiţi produşi meta -bolici în exces, există posibilitatea stocării (depozitării) lor temporare sau de -finitive la nivelul citosolului unor celule. Aceste depozite intracitoplasmatice poartă numele de incluziuni celulare. Pot fi depozitate intracitoplasmatic substanţe diferite: glucide, lipide, proteine, pigmenţi, cristale, cristaloizi, etc. Dacă acest fenomen depăşeşte anumite limite se poate ajunge în situaţii pato logice, unele cu un caracter reversibil, altele fiind ireversibile. Glucidele sunt depozitate în citoplasma celulelor animale
sub formă de glicogen. Depozite intracelulare de glicogen pot fi evidenţiate în hepatocite şi celulele musculare prin metoda PAS sau prin colorarea cu carmin Best. Lipidele sunt stocate în citoplasma celulelor
ca trigliceride, sub formă de picături sferice de diferite mărimi. Celulele care stochează lipide sunt ce -lulele corticosuprarenalei, celulele corpului galben din ovar, nefrocitele, he-patocitele. Proteinele sunt depozitate aproape în exclusivitate sub forma gra -nulelor secretorii. Pigmenţii pot apare în mod normal sub formă de pigment brun-negru (granulele de melanină) în celulele pigmentare, sau pigment galben (lipofus -cină) în celulele nervoase, celulele corticosuprarenalei, etc. Pe măsură ce or -ganismul îmbătrâneşte, lipofuscina poate apar e ca pigment de uzură în celu -lele musculare cardiace şi în neuroni.
Cristalele şi cristaloizii pot apare, în mod normal, în citoplasma unor celule cum ar fi celulele Leydig din testicul sau chiar în nucleul unor hepato -cite. În unele situaţii patologice, la nivelul citoplasmei pot apare şi alţi pig-menţi cum ar fi: pigmenţii biliari, hemosiderina. Atunci când nevoile celulei (sau organismului) o impun, unele dintre aceste incluziuni pot fi mobilizate şi utilizate până la epuizarea lor.
59
ORGANITELE CELULARE DELIMITATE
DE MEMBRANĂ Subcompartimentele Subcompartimentele celulare delimitate de membrane sunt legate între ele structural şi funcţional, alcătuind un sistem de endomembrane. Legătura structurală între aceste formaţiuni este însă o legătură temporară. Din acest sist em de endomembrane fac parte: reticulul endoplasmic, aparatul Golgi, li-zozomii, peroxizomii, vacuolele, veziculele de exo- şi endocitoză şi chiar în -velişul nuclear, deoarece acesta comunică cu reticulul endoplasmic. Subcompartimentele celulare care alcăt uesc sistemul de endomembra-ne prezintă următoarele trăsături: membranele care delimitează subcompartimentele sunt asimet rice (ase-mănător plasmalemei),
legătura structurală (de cele mai multe ori temporară) dintre comparti -mente este asigurată prin intermediul veziculelor, care pot fuziona fie cu alte subcompartimente ale sistemului, fie cu membrana plasmatică sau cu veziculele de endocitoză, fie pot fuziona între ele, prin intermediul veziculelor se realizează un flux al membranelor care poate să fie orientat fie de la reticulul endoplasmic spre membrana plasmatică, fie invers, prin intermediul veziculelor de exocitoză, subcompartimentele siste -mului de endomembrane comunică cu med iul extracelular, dar aceste vezicule nu comunică cu matricea nucleoplasmică (numai accidental). Majoritatea organitelor celulare delimitate de membrane sunt cuprinse în acest sistem de endomembrane (reticulul endoplasmic, aparatul Golgi, li- zozomii, peroxizomii). Există însă şi organite celulare delimitate de membra -ne, mitocondriile, care nu fac parte din acest
sistem.
RETICULUL ENDOPLASMIC
Reticulul endoplasmic este un organit celular cavitar, răspândit în în -treaga citoplasmă, fiind format din saci, ciste rne, tubi, vezicule, anastomozate între ele. Formaţiunile reticulului sunt delimitate de o endomembrană cu grosime de aprox. 6 nm. Reticulul endoplasmic, observat observat iniţial la microscopul optic, a fost des-cris sub diferite denumiri: substanţă tigroidă sau corpi Nissl în pericarion, corpi Berg în hepatocit şi ergastoplasmă în celula pancreasului exocrin. De-numirea actuală şi prima descriere electronomicroscopică electronomicroscopică au fost făcute f ăcute de către Porter şi Kallman (1952). Organitul este prezent în toate celulele euca -riote cu excepţia hematiei adulte. Deoarece el a fost observat la început în partea internă a citoplasmei a primit denumirea de reticul endoplasmic. Morfologia reticulului endoplasmic diferă de la o celulă la alta. Astfel, celulele embrionare au un reticul en- doplasmic rudimentar, care se dezvoltă pe măsura diferenţierii cel ulei. De a-semenea, celulele aflate în interfază au un reticul endoplasmic mai bine dez-voltat decât celulele aflate în diviziune. Există două tipuri de reticul endoplasmic: 60
reticul endoplasmic rugos sau granular (RE rugos sau RE granular); reticul endoplasmic neted (RE neted).
Membranele celor două tipuri de reticul endoplasmic sunt în conti -nuitate, lumenele lor comunică, de aceea apar ca o unitate. Reti Reti culu l endoplasmic ndoplasmic r ugos este format în principal din saci aplatizaţi sau cisterne şi mai rar din canalicule. Pe suprafaţa plasmatică a membranei, aceste formaţiuni prezintă ribozomi ataşaţi (de aici denumirea de rugos sau granular). Reticulul endoplasmic rugos este dispus preferenţial în jurul nu-cleului şi are legătură structurală directă cu cisterna perinucleară. Membranele RE rugos sunt în relaţie de continuitate cu membrana nucleară externă, iar lumenul în continuitate cu spaţiul cisternei. Lumenul reticulului este ocupat de reticuloplasmă, o masă fluidă amorfă mai puţin densă decât hialoplasma. Reticulul endoplasmic rugos, datorită ribozomilor ataşaţi, este speciali -zat în primul rând în sinteza proteinelor, motiv pentru care este mai dezvoltat în celulele angajate în procese intense de sinteză, cum sunt celulele glandu -lare exo- şi endocrine. Membranele reticulului endoplasmic rugos conţin riboforine (proteine specifice) care: facilitează ataşarea ribozomilor la membranele reticulului endoplasmic rugos; asigură transferul prin membrană a lanţului polipeptidic nou format la nivelul
ribozomilor; contribuie la
menţinerea formei caracteristice a cisternelor, deoarece ri -boforinele formează o reţea extinsă în membrană.
Reti Reti cul ul endoplas ndopl asmi mi c neted neted este
format în principal din tubi, cana -liculi sau vezicule
şi nu are ribozomi ataşaţi. Din punct de vedere topografic, reticulul endoplasmic neted este dispus spre periferia
citoplasmei, fără să vină în contact cu membrana plasmatică. El este mai bine dezvoltat în celulele care secretă hormoni steroizi (celulele glandelor suprarenale, celule interstiţiale din testicul şi ovar) precum şi în cele care produc glucide (celulele hepatice). În celula musculară există un organit asemănător reticulului endoplas -mic neted, care are rolul de a stoca ionii de calciu, de a- i elibera în citosolul fibrei musculare cu producerea contracţiei şi de a-i restoca prin intervenţia pompei de Ca 2 din membranele sale, cu inducerea eticulul sarcoplasmic, ce reprezintă un tip special de relaxării musculare. Acest organit este r eticulul re-ticul endoplasmic neted. Studiul electronomicroscopic al ace stuia a evidenţiat că este dispus sub forma unei reţele de tubuli sau cisterne orientate de -a lungul sarcomerului între şi în jurul miofibrilelor (sistemul tubular “L“). La nivelul fiecărei zone H, aceşti tubuli orientaţi longitudinal trimit anastomoze laterale, iar la nivelul joncţiunii dintre banda A şi I formează nişte saci sau cisterne terminale unde sunt stocaţi ionii de calciu. Două asemenea cisterne terminale se alătură la nivelul joncţiunii dintre banda I şi banda A, dar rămân separate de sistemul tubular “T“ (transvesal) cu origine în plasmalemă. Această dispoziţie particulară a reticulului sarcoplasmic în fibra musculară striată scheletală, ce constă din alăturarea a două cisterne terminale ce aparţin sistemului “L“ şi a unui tubul transversal “T“, formează o triadă. Astfel, la joncţiunea dintre banda A -I de la nivelul fiecărui sarcomer, există două triade. Sistemul tubular T cu origine în plasmalemă comunică cu spaţiul extracelular, pătrunde la intervale regulate, se ramifică şi se dispune printre cisternele terminale pentru a forma triade. Cele două sisteme tubulare T şi L joacă un rol important în mecanismul contracţiei musculare, deoarece la nivelul triadelor are loc cu- plararea plararea excitaţiei cu cu contracţia. 61
FUNCŢIILE RETICULULUI ENDOPLASMIC Funcţiile
reticulului endoplasmic pot fi grupate în funcţii comune ambe -lor tipuri şi funcţii specifice RE rugos, respectiv RE neted. Funcţii comune. Reticulul endoplasmic funcţionează ca un sistem circ -lator intracitoplasmatic prin care sunt vehiculate în permanenţă p ermanenţă diferite sub -stanţe spre alte zone ale citoplasmei, spre cisternele aparatului Golgi prin mi-crovezicule, sau spre spaţiul perinuclear cu care comunică. Reticulul endoplasmic este implicat în sinteza componentelor structu -rale ale membranelor şi a enzimelor prin care lizozomii şi peroxizomii îşi desfăşoară activităţile specifice. Reticulul endoplasmic rugos
are ca principală funcţie biosinteza protei -nelor de export. Pentru realizarea sintezei proteice, ribozomii se ataşază pe membrana RE rugos p rin subunitatea mare (60S), în timp ce subunitatea mică (40 S) este orientată spre exterior. Legarea ribozomilor se realizează sub forma polizomilor, unde mai mulţi ribozomi se înlănţuie pentru a citi mesajul de pe molecula de ARNm şi pentru a începe sinteza lanţului polipeptidic. După ataşarea ribozomilor, sinteza proteică se desfăşoară pe mem branele RE ormare este transferat prin mem brană în lumenul organitului. rugos, iar lanţul polipeptidic în f ormare organitului. Proteinele destinate exportului din celulă se vor acumula în lumenul RE rugos şi vor fi împachetate în micovezicule ce se formează prin frag -mentarea sau înmugurirea cisternelor. Microveziculele vor fuziona cu membranele cisternelor complexului Golgi. Aici proteinele vor suferi un proces complex de acumulare, matu rare şi împachetare în vezicule de secreţie ce se desprind din complexul Golgi şi vor fi eliminate din celulă prin exo -citoză. Proteinele destinate nevoilor proprii ale celulei (pentru alimentarea sis-temului de
endomembrane precum şi proteinele enzimelor lizozomale) vor rămâne ataşate feţei interne a membranelor reticulului endoplasmic rugos sau sunt integrate în bistratul lipidic al membranelor organitului. Pe lângă această această fucţie de bază, RE rugos mai are rol în sinteza unor fosfolipide (lecitina) sau a unor glicoproteine integrale din membrană. Reticulul endoplasmic neted are ca principală funcţie sintetiza şi meta -bolizarea acizilor graşi şi a fosfolipidelor. Este implicat de asemenea şi în bi -osinteza colesterolului şi a hormonilor steroizi. De aceea, reticulul endoplas-mic neted este mai dezvoltat în celulele specializate în aceste procese de sin -teză, din ficat, corticosuprarenală, gonade. O altă funcţie importantă a reticulului endoplasmic neted o reprezintă aceea de detoxifiere, adică de inactivare şi metabolizare a unor substanţe cum sunt pesticidele, medicamentele, etc. Prin enzimele pe care le conţine (citocromii P -450, glutation Stransferaze) reticulul endoplasmic neted deter-mină metabolizarea acestor substanţe şi eliminarea lor prin urină. Pentru o detoxifiere eficientă cantitatea şi activitatea enzimatică cresc. Astfel admi-nistrarea unor doze mari de fenobarbital determină dublarea suprafeţei reti culului endoplasmic neted din hepatocite şi revine la normal (prin autofagie) după aproximativ 5 zile de la încetarea adimistrării acestei substanţe.
62
COMPLEXUL GOLGI
Acest organit a fost descris prima dată de medicul italian Camillo Golgi în anul 1898, ca o reţea de filamente fine pe care le -a observat în citoplasma unor celule nervoase. El a denumit această formaţiune cu numele de aparat reticular intern. În 1910 elevul lui Golgi, Aldo Peroncito a observat că în timpul diviziunii celulei are loc o fragmentare a elementelor acestui aparat şi a denumit aceste fragmente cu numele de "dictiozomi". Aceştia apar la microscopul optic sub diferite aspecte: bastonaşe, tubi anastomozaţi, cisterne, etc. În cinstea ganitul cu numele de aparat descoperitorului său, oamenii de ştiinţă au denumit ulterior or ganitul Golgi.
Numărul complexelor Golgi într -o celulă diferă mult, de la unu la câte -va sute, în funcţie de tipul, vârsta sau de activitatea funcţională a celulei . Astfel, celulele tinere sau aflate în plin proces secretor au de regulă un nu -măr mare de asemenea organite. Poziţia organitului în celulă diferă după tipul şi activitatea acesteia. Astfel, în neuroni complexul Golgi este dispus perinucl ear, iar în celulele se -cretorii exocrine apare supranuclear. La microscopul electronic s-a constatat că în structura lui intră trei com ponente de ig. 7): bază (f ig. pachete de saci turtiţi sau cisterne aplatizate, microvezicule, macrovezicule. Cisternele aplatizate sau sacii sacii turtiţi au formă curbată curbată şi se dispun sub formă de pachete. Numărul sacilor într -un pachet este variabil, în majoritatea cazurilor fiind între 5 şi 11. Fiecare sac poate fi comparat cu o farfurie care are partea centrală mai subţire şi periferiile mai dilatate. În ansamblu, complexul Golgi are o polaritate morfofuncţională dis-tinctă, prezentând: compartimentul "cis" orientat spre nucleu, reprezentat de faţa convexă, numită şi faţă formatoare sau imatură, deoarece prin această faţă org anitul primeşte veziculele de transport a proteinelor sau lipidelor sintetizate de reticulul endoplasmic; compartimentul "median", la nivelul căruia se realizează glicozila rea li pidelor pidelor şi proteinelor; compartimentul "trans" orientat spre membrana plasmatică, reprezentat de faţa concavă, numită şi faţa de elaborare sau matură, deoarece la a -cest nivel are loc
elaborarea granulelor de secreţie.
Fig. 7. Structura complexului Golgi-diagramă.
63
Microveziculele Microveziculele sunt mici vezicule (de ordinul nm) care se desprind din reticulul
endoplasmic şi se deplasează înspre sacii golgieni de pe faţa cis, cu care fuzionează. Ele se mai numesc şi vezicule de transfer deoarece macro -moleculele sintetizate în reticulul endoplasmic sunt "transferate" cu ajutorul microveziculelor în sacii golgieni. Macroveziculele sunt dispuse la periferia cisternelor şi pe faţa concavă a organitului. Ele se formează prin înmugurirea la periferie a cisternelor gol -giene şi sunt de fapt vezicule de secreţie care conţin proteine sau alte macro -molecule ce au fost maturate la nivelul cisternelor golgiene şi care urmează să fie eliminate din celulă prin exocitoză. Grosimea endomembranelor care delimitează formaţiunile complexu-lui Golgi este de aprox. 6-8 nm, mai mică la microvezicule şi mai mare la ma -crovezicule. Alte vezicule eliberate de pe faţa trans sunt de dimensiuni mai mici de -cât cele ale veziculelor de secreţie. Ele conţin hidrolaze acide şi reprezintă li -zozomi primari care prin enzimele pe care le conţin vor participa la procesul de digestie intracelulară. Complexele Golgi sunt structuri dinamice care prezintă o mare labilita -te, o permanentă modificare şi o permanentă regenerare. Astfel, paralel cu "dispariţia" cisternelor prin formarea de macrovezicule (pe faţa trans), noi cisterne se formează pe faţa cis (faţa formatoare), din microveziculele venite de la reticulul endoplasmic. Se apreciază că o cisternă sau sac golgian se for-mează în 2 -3 minute, iar ansamblul sacilor dintr-un complex Golgi se reîn-noieşte în aproximativ 30 minute pe seama microveziculelor care vin de la reticulul endoplasmic şi care fuzionează cu membranele compartimentului cis. FUNCŢIILE COMPLEXULUI GOLGI
Funcţia de secreţie celulară , prin care produşii sintetizaţi în reticulul endoplasmic, ce ajung la complexul Golgi prin intermediul microveziculelor vor fi aici maturaţi, condensaţi şi împachetaţi în vezicule secretorii. Maturarea lor se realizează prin prelucrare biochimică cum ar fi: glicozilarea terminală a proteinelor, glicozilarea lipidelor, sulfatarea lipid elor, etc. Concentrarea pro-duşilor de secreţie se realizează prin co nstituirea unor agregate sub in fluenţa unor interacţiuni electrostatice între produşii de secreţie şi înt re complexe de proteine polizaharide cu sarcină contrară. contrară. Pentru desfăşurarea corespunzătoare corespunzătoare a acestor procese un rol 2 important îl au ionii de Ca . Aceste agregate sunt împachetate apoi în vezicule de secreţie ce se vor desprinde de pe faţa f aţa trans sau de la periferia sacilor golgieni. Biogeneza lizozomilor constă în separarea enzimelor lizozomale de alţi produşi de sinteză şi împachetarea acestora în vezicule de dimensiuni mai mici decât veziculele de secreţie. Aceste vezicule se desprind din formaţiuni -le complexului Golgi tot de pe faţa trans sau de la periferia sacilor golgieni. Dirijarea traficului trafic ului endomembranelor
se realizează sub forma vezicu -lelor care vin şi pleacă de la complexul Golgi. Astfel, complexul Golgi pri -meşte permanent vezicule de la reticulul endoplasmic, le modifică conţinutul şi elaborează alte vezicule ce vor fi expediate înspre plasmalemă unde, după exocitoză membranele veziculelor vor fi înglobate în structura plasmalemei înlocuind porţiunile "consumate" prin crearea veziculelor de endocitoză. În felul acesta suprafaţa plasmalemei se menţine constantă, deşi în permanenţă se formează din ea vezicule de endocitoză, însă membranele consumate vor fi înlocuite de cele ale veziculelor de exocitoză. Alte vezicule vor fi dirijate în citosol , fie pentru asigurarea necesarului propriu de endomembrane, endomembrane, fie sub formă de lizozomi primari. 64
Formarea acrozomului acrozomului spermatozoizilor este
ganit. o altă funcţie a acestui or ganit. Complexul Golgi dispus supranuclear la aceste celule se modifică şi realizează formaţiunea numită acrozom care conţine enzimele necesare liză rii membranei ovulului.
LIZOZOMII
Lizozomii sunt organite în formă de vezicule, sferice sau ovale, au dia -metrul cuprins între 0,2-1 m, sunt formaţi de aparatul Golgi şi conţin enzi -mele hidrolitice necesare digestiei intracelulare a materialelor înglobate de către celulă. Au fost descoperiţi de către Christian de Duve (1952) prin me- tode biochimice şi apoi au fost vizualizaţi la microscopul electronic de către Nivikoff (1956). Lizomii sunt prezenţi în citoplasma tuturor celulelor anima-le, cu excepţia hematiei adulte. La microscopul electronic s -a observat că ei sunt alcătuiţi din: membrana lizozomală, matricea lizozomală. Membrana lizozomală are grosimea de 7 -8 nm şi structura asemănă -toare cu a celorlalte endomembrane.
Matricea lizozomală poate apare omogenă, fin granulară, sau heteroge -nă, ceea ce determină un polimorfism lizozomal în fiecare celulă. În matricea lizozomală există aprox. 50-60 enzime hidrolitice ca: proteaze, lipaze, nucle-a ze, fosfataze, sulfataze, etc., capabile să digere proteine, carbohidraţi, lipide sau derivate ale acestora. Toate aceste enzime sunt hidrolaze acide, active la un pH situat în jurul valorii de 5. Membrana lizozomală este în mod normal impermeabilă pentru aceste enzime, prevenind astfel contactul şi digestia altor structuri celulare. Ruperea din diverse motive a membranei lizozomale, va determina eliberarea enzimelor, care vor produce liza citoplasmei citoplasmei învecinate. Prin observaţii la microscopul electronic s-a stabilit că lizozomii pot fi împărţiţi în trei categorii: lizozomi primari, lizozomi secundari, lizozozmi terţiari. Lizozomii primari se prezintă sub forma unor vezicule sferice care au la interior un conţinut bogat în hidrolaze acide. Enzimele lizozoma le sunt sin-tetizate în ribozomii ataşaţi membranelor reticulului endoplasmic, unde sunt glicozilate cu manoză. Trec apoi în
compartimentul cis al complexului Golgi, unde moleculele de manoză sunt fosforilate în poziţia 6 (manozo-6-fosfat). Aceste enzime trec apoi prin compartimentul median spre compar timentul timentul trans unde pe baza grupărilor mano zo-6-fosfat (M6P) sunt direcţionate spre lizozomi. Această selecţie este posibilă datorită unor receptori pentru M6P localizaţi în membranele compartimentului trans şi care leagă doar proteinele care au gruparea M6P. Astfel, enzimele lizozomale sunt separate de alte proteine, vor fi concentrate în vezicule transportoare, care fuzionează cu endolizozomii, iar apoi ajung la lizozomii maturi. La un pH acid se va produce disocierea receptorilor pentru M6P, c are apoi vor fi reciclaţi, ajungând din nou la nivelul compartimentului trans al complexului Golgi (fig. 8). Lizozomii primari sunt 65
lizozomii care încă nu au fost angajaţi în activi tate. Ei sunt de talie mică şi au o mat rice omogenă sau fin granulară. Lizozomii secundari sau fagolizozomii se formează prin fuziunea lizozomilor primari cu fagozomii.
Lizozomii terţiari sunt corpii reziduali, care conţin material nedige rămas în urma procesului de digestie
rabil la
nivelul lizozomilor secun-dari.
.
Fig. 8. Diagrama sintezei şi transportului enzimelor lizozomale
FUNCŢIILE LIZOZOMILOR Funcţiile lizozomilor sunt:
heterofagia, procesul de digestie intracelulară a substanţelor introduse în citoplasmă prin endocitoză (celule neop lazice, bacterii, virusuri, substanţe nutritive, etc.) ; procesul de heterofagie este legat de nutriţia celulei şi de mecanismele de apărare; autofagia, procesul prin care organitele uzate, aflate în diferite grade de dezintegrare vor fi înconjurate de cito membrane, se vor forma au-tofagozomii care după fuziunea cu lizozomii primari formează auto-fagolizozomii, în interiorul cărora sunt digerate
structurile uzate;
participarea la diferite procese fiziologice cum ar fi involuţia timusului, apoptoza, reglarea nivelului unor hormoni aflaţi în exces în celulă (cri -nofagia), etc.; participă în unele unele procese patologice patologice cum ar fi inflamaţiile sau sau necro-zele. Imediat după moartea organismului are loc ruperea membranelor lizo -zomale, cu răspândirea enzimelor în citoplasmă, ceea ce determină autoliza post mortem. Digestia intracelulară nu este în toate cazurile completă, uneori pot ră -mâne resturi nedigerabile care se acumulează în vacuolele digestive transfor -mându-le în corpi reziduali
66
(lizozomi terţiari). Corpii reziduali sunt eliminaţi în afara celulei prin exocitoză, dar uneori ei pot fi depozitaţi în citosol (ex. granulele de lipofuscină în procesul de îmbătrânire) diminuând treptat capa-citatea metabolică a celulelor respective.
PEROXIZOMII
Peroxizomii au fost descoperiţi la microscopul electronic de către Rhodin (1954) în celulele renale, dar o descriere detaliată a lor a fost făcută abia în 1966 de către Wattiaux. Peroxizomii sunt organite mici, sferice, cu diametrul de 0,5-1,5 m şi se aseamănă fizic cu lizozomii. Se deosebesc însă de aceştia prin următoarele: se presupune că se formează prin autoreplicare sau prin înmugurirea re ticulului endoplasmic neted,
conţin în special oxidaze. Peroxizomii sunt delimitaţi de o membrană lipoproteică, iar în interior prezintă o matrice proteică mai mai densă decât decât cea a lizozomilor. Matricea peroxizomilor conţine enzime implicate în oxidarea anumitor substanţe, în special în -oxidarea unor lanţuri lungi de aminoacizi (care con -ţin mai mult de 18 atomi de carbon). Dintre enzimele cele mai importante amintim: urat-oxidaza, D-aminoacid-oxidaza şi
catalaza.
Peroxizomii se găsesc în cantitate mai mare în celulele ficatului şi ri -nichiului. În unele cazuri, peroxizomii prezintă în matricea lor un miez electronodens ce are o structură paracristalină şi care care a fost numit cristaloid. FUNCŢIILE PEROXIZOMILOR
Peroxizomii intervin în metabolismul apei oxigenate (H2O2 sau peroxi-dul de hidrogen) în două etape astfel: iniţial urat-oxidaza şi D-aminoacid-oxidaza catalizează diferite reacţii oxidativ catalitice, reacţii care utilizează oxigenul molecular şi produc peroxid de hidrogen, Urat-oxidază sau D -aminoacid-oxidază RH2 O2 --------------------------------------------------------------------------- R H2O2
în continuare, catalaza utilizează apa oxigenată pentru a oxida o mare varietate de substraturi (fenoli, alcooli, f ormaldehidă -o reacţie numită reacţie ormaldehidă etc.) printr -o peroxidativă. catalază ----------------------- R’ 2H2O R’H2 H2O2 ----------------------- Surplusul de peroxid de hidrogen va fi oxidat de către catalază, deoare -ce el este toxic
pentru celulă, rezultând rezultând în final apă şi oxigen. 67
catalază 2H2O2 --------------------- --------------------- 2H2O O2
Peroxizomii joacă un rol important în procesele de detoxifiere, funcţie facilitată de permeabilitatea foarte mare a membranei membranei peroxizomilor pentru ioni şi molecule molecule mici. Catalaza peroxizomilor oxidează oxidează alcoolul, fenolul, fenolul, aci-dul formic, formaldehida, etc. -oxi-darea acizilor Peroxizomii conţin de asemenea un sistem enzimatic capabil de -oxi-darea graşi, apreciindu-se că 1/4 din totalul acestor oxidări au loc în peroxizomi, iar restul în mitocondrii.
MITOCONDRIILE
Pentru desfăşurarea complexelor activităţi ce se desfăşoară la nivelul celulelor eucariote este nevoie în permanenţă de energie. Aceasta este asigu -rată de sistemele generatoare de energie. În cazul eucariotelor, sursa de ener- gie o reprezintă unii metaboliţi, iar energia metaboliţilor este convertită în e -nergia chimică a legăturilor de ATP (adenozin trifosfat). Aceste legături sunt numite legături fosfat -macroergice şi reprezintă forma de energie chimică ce poate fi utilizată cu promptitudine de către toate componentele celulare. Ce-lulele eucariote folosesc concomitent două sisteme generatoare de ATP:
glicoliza;
fosforilarea oxidativă. Glicoliza se derulează la nivelul citosolului şi foloseşte glucoza ca sub -strat pentru generarea energiei. Aceasta este prelucrată enzimatic până la piruvat, cu generarea a două molecule de ATP.
Fosforilarea oxidativă se derulează la nivelul mitocondriilor şi folo -seşte ca substrat energetic piruvatul, deci începe acolo unde se sfârşeşte gli -coliza. În felul acesta, cele două sisteme de conversie energetică, glicoliza şi fosforilarea oxidativă sunt cuplate. Mitocondriile sunt organite celulare prez ente în citoplasma tuturor celu lelor eucariote, cu excepţia hematiilor adulte. Principala lor funcţie este a -ceea de a produce energia necesară desfăşurării activităţilor celulare (creştere, diferenţiere, diviziune, mişcare, etc.). Ele au fost descoperite la microscopul optic de către Altman (1890) şi denumite astfel de către Benda (1897). La microscopul electronic au fost descrise de Sjöstrand şi Palade (1952), in -dependent unul de altul. Mitocondri ile au lungimea cuprinsă în medie între 1 -3 m, dar pot ajunge pâna la 7 m şi au diametrul 0,5 m. Formă mitocondriilor poate fi sferică sau pot fi ca un bastonaş, filifor -me, ramificate, curbe sau spiralate.
Numărul mitocondriilor în celule este variabil, depinzând de tipul celu-lei şi de intensitatea proceselor sale energetice. Astfel, spermatozoidul are aprox. 25 mitocondrii,
nefrocitul în jur de 300, iar hepatocitul aprox. 2500. 68
De obicei mitocondriile sunt răspândite în întreg citosolul, dar au pos i- bilitatea bilitatea să se grupeze la polul activ al unor ce lule. Astfel, în enterocite ocupă în principal polul apical, în nefrocite polul bazal, în fibra musculară striată scheletală şi cardiacă se dispun printre miofibrile, în hepatocit de jur îm-prejurul nucleului, iar la spermatozoid în j urul axonemei brei flagelului. În general mitocondriile ocupă aprox. 5 -6% din v olumul celular, dar în cazul fi brei musculare striate scheletale şi al hepatocitului ocupă 20%, iar la fibra mus -culară cardiacă 35%. Aceste valori suger ează ează importanţa mitocondriilor pentru activitatea celulelor. În compoziţia chimică a mitocondriei intră: proteine 60 -70%, lipide 30- 35% şi 0,5 % ADN, ARN, ioni, aminoacizi, glucide. Dintre proteine, 70% au funcţie enzimatică şi 30% au funcţie structurală. Dintre lipide, 95% sunt fos-folipide şi 5% colesterol. La microscopul electronic, mitocondria apare constituită din următoa -rele elemente structurale: membrana externă , membrana internă, spaţiul intermembranar (dintre cele matricea mitocondrială.
două membrane),
Membrana externă are grosimea de aprox. 6 nm şi o structură lipopro -teică. În compoziţia ei chimică intră 50% proteine şi 50% lipide, structura a -cestei membrane fiind asemănătoare cu cea a reticulului endoplasmic. Mem - brana brana externă conţine aproape tot colesterolul existent în mitocondrie. Ea es -te relativ rigidă şi foarte permeabilă. La nivelul ei se realizează schimburile dintre organit şi citosol şi se desfăşoară o serie de activităţi enzimatice, dar nici una dintre acestea nu are legătură cu pro ducerea de ATP. Membrana internă are şi ea structură lipoproteică şi grosimea de 6 nm. Caracteristic este faptul că această membrană este plisată, formând nume -roase creste (criste) mitocondriale care proemină în interiorul matricei mito-condriale, mărindu-i de peste cinci ori suprafaţa, comparativ cu membrana externă. Forma cristelor poate fi lamelară, aşa cum este în cazul majorităţii mitocondriilor, sau poate fi tubulară în celulele care secretă hormoni steroizi (celulele corticosuprarenalei, celulele interstiţiale din ovar şi testicul). Compoziţia chimică a membranei interne se deosebeşte de cea a mem -branei externe. Ea conţine 80% proteine şi 20% lipide, funcţia ei fiind pre - ponderent ponderent metabolică. Membrana mitocondrială internă este străbătută de proteine integrale. Ea prezintă un conţinut rid icat de cardiolipină ceea ce face ca această membrană să aibă o permeabilitate foarte redusă (inclusiv pentru ioni). Transportorii proteici existenţi în grosimea ei o fac să prezinte per -meabilitate selectivă pentru acele molecule ce urmează să fie metabolizate în spaţiul matricei mitocondriale sau pentru intermediari metabolici care ur-mează să fie expulzaţi din mitocondrie.
În general, membrana mitocondrială internă conţine trei mari grupe de proteine: proteinele lanţului respirator (respectiv lanţul transportor tr ansportor de electroni), proteine de transport specific (care reglează trecerea metaboliţilor sau a ionilor spre interiorul sau exteriorul mitocondriei),
un complex enzimatic responsabil de producerea şi eliberarea în matr i-cea mitocondrială a ATP-ului: 69
aceste complexe enzimatice sunt dispuse pe faţa matriceală a membranei interne, la microscopul electronic apar ca mici sfere cu diametrul de 10 nm, numite F 1ATP-ază, prinse cu un peduncul de o piesă inclusă în membrana internă, numită particulă F0, întregul complex poartă numele de ATP -sintetază sau F 0F1 ATP-ază. Enzima marker a membranei mitocondriale interne este citocromoxida-za. Alte enzime specifice sunt: succinat-dehidrogenaza, acil-carnitintransfe-raza, enzimele -oxidării
acizilor graşi, etc. Spaţiul intermembranar intermembranar mitocondrial are în medie grosimea de 8 nm. La microscopul electronic, conţinutul acestui spaţiu apare clar şi omogen, fiind constituit din soluţii apoase ce conţin ioni şi diferite molecule. Ca enzimă marker este considerată adenilat kinaza, care catalizează reacţia:
ATP AMP
adenilat-kinaza ---------------------------------------------------- -----
2 ADP
Această reacţie este necesară pentru recuperarea AMP -ului, deoarece membrana mitocondrială internă este permeabilă numai pentru ADP şi ATP, nu şi pentru AMP. Cele două molecule de ADP rezultate în urma reacţiei, vor trece în matricea mitocondrială şi vor fi fosforilate la ATP. În afară de adenilat -kinază, la acest nivel se mai găsesc şi alte enzime ca: nucleozid-difosfatkinaza şi nucleozid -monofosfatkinaza. Matricea mitocondrială este compartimentul delimitat de membrana mitocondrială internă şi se mai numeşte substanţa fundamentală a mitocon -driei. Datorită faptului că ea conţine o cantitate mare de proteine (60% din substanţa uscată) starea ei fizică este apropiată de gel. La microscopul elec-tronic, matricea mitocondrială apare fin granulară datorită prezenţei ribozo-milor mitocondriali, care pot fi liberi sau grupaţi în polizomi, dar pot fi şi ataşaţi pe faţa matriceală a membranei interne. Porţiunea centrală a matricei apare ceva mai electronodensă şi aici este localizat ADN ul mitocondrial. Acest ADN este înfăşurat elicoidal şi dispus circular. ADN -ul mitocondrial are aprox. 5 m lungime, fiind capabil să sin-tetizeze aprox.35 de molecule, ceea ce îi conferă mitocondriei o autonomie maximă de 35% faţă de materialul genetic nuclear. Acest lucru face ca mitocondriile să fie organite or ganite semiautonome. Matricea mitocondrială conţine două tipuri de proteine: prote ine struc-turale şi protein-enzime (aproximativ 200). Pe lângă acestea mai există: nu -cleotide, aminoacizi, glucide etc.
În general, cele mai importante proteine din matrice sunt: enzimele oxidării piruvatului şi acizilor graşi cu producere de coenzimă A (CoA);
enzimele ciclului Krebs (ciclul acidului citric) responsabile de oxidarea acetil coenzimei A;
enzimele necesare replicării şi expresiei genelor mitocondriale. 70
Complexele enzimatice din matricea mitocondrială acţionează asupra substratului în trei trepte, astfel: în prima etapă, piruvat dehidrogenaza dehidrogenaza converteşte piruvatul, la acetil coenzimă A şi reduce NAD la NADH; în a doua etapă are loc o cascadă de reacţii ce formează ciclul Krebs. Ciclul începe cu sinteza citratului din acetil coenzima A, după c are ci-tratul este oxidat şi decarboxilat în trepte, rezultând în final oxal -acetatul : la fiecare parcurgere a ciclului, dehidrogenazele care oxi-dează intermediarii succesivi, reduc trei molecule de NAD la NADH şi o moleculă de FAD la FADH2; în a treia etapă acţionează lanţul mitocondrial transportor de electroni care efectuează tranzitul electronilor de la NADH la NADH 2 şi ulterior la O2 molecular. Pentru fiecare pereche de electroni ce se mişcă de -a lungul lanţului, pe întreaga sa lungime, sunt sinte tizate trei molecule de ATP.
În urma parcurgerii întregului ciclu ciclu de la nivelul mitocondriei se obţin 34 molecule de ATP. În felul acesta, oxidarea completă a unei molecule de glucoză (la CO 2 şi H2O) generează 36 molecule de ATP: două în timpul gli -colizei în citosol şi 34 în timpul fosforilării în matricea mitocondrială. Mitocondriile uzate sunt îndepărtate prin autofagie şi în locul lor se for -mează prin condriodiereză alte mitocondrii. Prin acest proces o mitocondrie funcţională va da naştere la două organite asemănătoare. asemănătoare. Funcţia principală a mitocondriilor este generarea energiei necesare des -făşurării activităţilor celulare, cum sunt: diviziunea, diferenţierea, secreţia, contracţia musculară, etc. Prin acţiunea enzimelor oxido -reducătoare şi prin procesul fosforilării oxidative iau naştere molecule de ATP (fosfat macro-ergice). Sub acţiunea ATP -azei, moleculele de ATP vor fi scindate, cu elibe-rarea unei cantităţi de energie ce va fi utilizată pentru desfăşurarea procese lor vitale din celulă. TRANSMITEREA ŞI EXPRIMAREA
INFORMAŢIEI GENETICE Genele controlează transmiterea caracterelor de la părinţi la copii, în -mulţirea celulelor, dar în acelaşi timp coordonează coordonează sinteza elementelor struc -turale şi a enzimelor. Informaţia genetică este reprezentată de secvenţa ADN, iar perpetuarea de la o celulă replicare. la alta se realizează r ealizează prin replicare. Dogma centrală a biologiei moleculare postulează că informaţia pentru sinteza proteinelor este conţinută de secvenţa ADN şi este transmisă prin in -termediul ARNm proteinelor.
Genele sunt constituite din ADN şi controlează sinteza de ARN. În citoplasmă acesta coordonează coordonează sinteza proteinelor: structurale, care alături de lipide şi glucide întră în alcătuirea diferitelor structuri celulare;
enzime, care catalizează reacţ iile chimice din celule. 71
Procesul de sinteză al proteinelor este denumit şi translaţie, deoarece în acest proces are loc traducerea secvenţei nucleotidice a ARNm în secvenţa aminoacizilor care formează proteina.
Sinteza unei proteine este controlată în gen eral de o pereche de gene, astfel, celula umană care are o sută de mii de perechi de gene, are capacitatea de a sintetiza peste o sută de mii de tipuri diferite de proteine.
În molecula de ADN, genele sunt ataşate cap la l a cap. În structura ADN intră: acidul fosforic; dezoxiriboza (un zaharid); patru baze azotate, dintre care:
două sunt purinice, adenina şi guanina; o două sunt pirimidinice, timina şi citozina. Molecula dublu-helicoidală de ADN are un ax de susţinere format din două lanţuri helicoidale constituite din acid fosforic şi dezoxiriboza. Între cele două lanţuri se află bazele o
azotate.
În procesul de sinteză a ADN sunt parcurse două etape: sinteza nucleotidelor , prin combinarea unei molecule de acid fosforic cu o moleculă de dezoxiriboză şi cu una di ntre cele patru baze azotate, rezultând patru nucleotide diferite: acidul dezoxiadenilic, acidul dezoxiguanilic, acidul dezoxitimidilic şi acidul
dezoxicitidilic; asamblarea nucleotidelor , care se face astfel încât acidul alterneze între ele la nivelul celor două lanţuri separate.
fosforic şi de -zoxiriboza să
Între bazele purinice şi pirimidinice ale celor două lanţuri se stabilesc legături slabe, astfel:
adenina se leagă întotdeauna de timină, guanina se leagă întotdeauna de citozină. Legături slabe de hidrogen ce se stabilesc între baze permit ca în timpul funcţionării ADN în celulă, cele două catene să se separe cu uşurinţă.
CODUL GENETIC
Prin separarea celor două lanţuri ale ADN, baze purinice şi piri -midinice proemină pe genetic. Fiecare catenă a moleculei de ADN marginea fiecărei catene constituind codul genetic. posedă câte un cod genetic propriu. Prin inter mediul mediul său, ADN controlează procesele de sinteza de la nivel celular. Codul genetic cuprinde cuvinte de cod care sunt constituite din triple-tele succesive de
baze. Cuvintele de cod controlează secvenţa aminoacizilor în procesul de sinteză a proteinelor.
72
ACIDUL RIBONUCLEIC (ARN)
Majoritatea ADN-ului
celulei se află în nucleu, iar cea mai mare parte a funcţiilor celulare se desfăşoară în citoplasmă. Controlul reacţiilor chimice din citoplasmă se realizează prin intermediul ARN. Sinteza acestuia este controlată de ADN. Astfel, prin procesul numit transcripţie codul genetic este transferat ARN-ului, care trece în citoplasmă prin porii nucleari. Sinteza ARN necesită separarea temporară temporară a celor două catene de ADN, rezultând: o catenă, folosită ca matriţă pentru sinteza ARN (transcripţia); tri -pletele codului ADN
determinând formarea tripletelor (codoni) codului complementar al ARN, care controlează secvenţ a aminoacizilor din proteinele sintetizate; o catenă inactivă. Fiecare catenă de ADN a fiecărui cromozom conţine codul pentru aproximativ patru mii de gene.
Structura elementară a ARN este similară cu a ADN, cu două di -ferenţe: riboza înlocuieşte dezoxiriboza, iar uracilul înlocuieşte timina. Sinteza moleculei de ARN se realizează în două etape:
sinteza nucleotidelor ARN (ca la ADN), pentru care sunt utilizate patru nucleotide diferite care conţin bazele adenina, guanina, citozina, uraci -lul (în locul timinei din ADN).
activarea nucleotidelor, prin adiţia a câte doi radicali fosfat, cu formarea trifosfaţilor. tri fosfaţilor. Cei doi radicali fosfat se combină cu nucleotidul prin legături fosfat ma -croergice
provenite de la ATP-ul celular. Astfel, fiecare nucleotid dispune de o mare cantitate de
energie, necesară în următoarele etape ale sintezei ARN. Nucleotidele activate vor fi asamblate folosind ca matriţă catena de ADN. În acest proces este implicată enzima ARN polimeraza. Aceată enzimă are următoarele proprietăţi funcţionale: recunoaşte şi se fixează pe o secvenţă de nucleotide numită promotor, din catena ADN, situată imediat înaintea genei iniţiale, aceasta fiind eta - pa pa esenţială în sinteza ARN;
după fixarea la promotor, determină "despletirea" a aproximativ două tu re din spirala helix a ADN cu separarea acestor porţiuni; se deplasează în lungul catenei ADN, nucleotidele complementare ale ARN vor fi legate la catena ADN; iar prin legarea între ele a nu -cleotidelor succesive ale ARN se
va forma molecula de ARN.
când polimeraza ARN ajunge la capătul genei sau al secvenţei de gene, întâlneşte secvenţă de încheiere încheiere a lanţului ; care determină desprinderea polimerazei de pe catena de ADN şi eliberarea concomitent în nucleo- plasmă plasmă a catenei catenei de ARN. Cele patru tipuri de baze ale ADN şi cele patru tipuri de baze ale ARN se combină între ele într -un mod specific, codul de pe catena ADN fiind transcris într -o formă complementară pe molecula de ARN, astfel:
73
Baza ADN guanina citozina adenina timina
Baza ARN citozina guanina uracil adenina
Există trei tipuri de ARN, cu rol în î n procesul de sinteză proteică. Acestea sunt: ARN mesager (ARNm), ce transportă codul genetic la nivelul citoplas -mei; ARN de transfer (ARNt), ce transportă aminoacizii activaţi către ribo -zomi, unde suferă un proces de asamblare rezultând moleculele pro -teice; ARN ribozomal (ARNr), care intră în structura ribozomilor. SINTEZA PROTEINELOR
Proteinele sunt sintetizate din aminoacizi. Secvenţa în care sunt legaţi l egaţi este determinată de ordinea în care bazele sunt aranjate în catena ADN, fie -care aminoacid fiind reprezentat de o secvenţă de trei baze (triplet). Adenina, citozina, timina şi guanina, din molecula de ADN, funcţio -nează ca literele orma mai mult de 64 de cuvinte într -un cuvânt. Prin aranjarea lor în combinaţii diferite, pot f orma de cod. Astfel pot fi codaţi până la 20 de aminoacizi. Fiecare aminoacid poate avea mai mult de un codon.
Codul unui lanţ polipeptidic se formează prin aranjarea într -o secvenţă proprie a ea sa. aminoacizilor care intră în alcătuir ea ARN mesager (ARNm)
Majorităţii aminoacizilor le corespund mai mult de un codon. Pe de altă parte un anumit codon reprezintă comanda de începere a sintezei proteinei, iar trei codoni reprezintă semnalul de încetare a sintezei proteinei. ARN de transfer (ARNt) ARN de transfer, indispensabil pentru sinteza proteinelor, are rolul de a transfera aminoacizii pe catena de ARNm, pe măsură ce proteina este sinte -tizată. Fiecare tip de ARNt se combină specific cu unul din cei 20 de amino -acizi comuni
acţionând ca un cărăuş al aminoacidului specific spre ribozomi. La acest nivel, fiecare tip specific de ARNt recunoaşte un anumit codon de pe ARNm şi aşează aminoacidul la locul său în lanţul molecule proteice sin -tetizate. ARNt este o moleculă mică cu aspectul unui lanţ molecular plicaturat, în formă de frunză de trifoi, fiind formată din 80 de nucleotide. Rolul ARNt este de a ataşa aminoacizii la catena proteică. De aceea este important ca pentru fiecare tip de aminoacid să existe numai un singur tip specific de ARNt, care să corespundă în acelaşi timp unui anumit codon al ARNm.
74
ARNt are capacitatea de a recunoaşte codonul specific al ARNm, dato -rită unei triplete de nucleotide, numită anticodon. Acesta este localizat în mijlocul moleculei ARNt, corespunzând petalei din mijloc a frunzei de trifoi. În procesul de sinteză a moleculei proteice între bazele anticodonului şi cele ale codonului se stabilesc legături slabe de hidrogen. Astfel, aminoacizii corespunzători se aliniază într -o anumită ordine în lungul cat enei de ARNm, stabilindu-se astfel secvenţa aminoacizilor din molecula proteică. ARN ribozomal (ARNr)
ARN ribozomal intră în structura ribozomului (60%) alături de protei -nele structurale sau enzime, necesare sintezei proteice. Ribozomii sediul sintezei p roteice
fcţionează întotdeauna în asociere cu ARNt, care alege aminoacidul şi cu ARNm care indică locul acestuia în lan -ţul proteic. Sinteza proteinelor în ribozom. În procesul sintezei proteinelor mole -cula de ARNm trece prin faţa ribozomului, începând de la un capăt predeter -minat al moleculei de ARN, specificat de o anumită secvenţă de baze ale ARNm, iar ribozomul va citi codul ARNm. Prin procesul de translaţie va avea loc sinteza unei molecule proteice. În momentul în care prin dreptul ri-bozomului tr ece ece codonul stop, sinteza moleculei proteice încetează, proteina fiind eliberată apoi în citoplasmă. Ataşarea ribozomilor de reticulul endoplasmic se produce la începerea sintezei proteinei, deoarece capătul iniţial al unor molecule proteice în curs de sinteză are o secvenţă de aminoacizi ce se leagă la receptorul specific de pe reticulul endoplasmic. Proteina nou sintetizată străbate membrana RE rugos şi apoi pătrunde în matricea acestuia. În acest timp la nivelul ribozomului continuă sinteza pro -teinei ce va favoriza tracţionarea şi ataşarea ribozomului la membrana re -ticulul endoplasmic. Acest proces se desfăşoară simultan în mai mulţi ribozomi ca răspuns la aceeaşi moleculă de ARNm. În realizarea lanţurilor proteice aminoacizii succesivi din lanţul proteic se leagă conform următoarea reacţii chimice: chimice: H2N O2 H R | || | | R C – C – OH + H – N N – C C –COOH – C
→
H2N O2 H R | || | | C – C C – N – C C – COOH COOH + H2O R– C
Radicalul hidroxil al grupării –COOH a unui aminoacid şi un ion de hidrogen al grupării –NH2 de la celălalt aminoacid sunt îndepărtate şi vor forma o moleculă de apă. Cele -o două situsuri reactive restante la cei doi ami -noacizi vecini se leagă unul de altul într -o moleculă unică. Acest proces se numeşte legătură peptidică. Fiecare legătură peptidică necesită multă energie, furnizată prin hi-droliza a patru molecule de ATP, procesul de sinteză proteică fiind printre pro -cesele celulare cu cel mai mare consum energetic.
75
MATRICEA EXTRACELULARĂ Matricea extracelulară realizează interacţiunea dintre celule şi alţi con -stituenţi. Ea este alcătuită din fibre incluse într -o substanţă fundamentală al -cătuită din glicozaminoglicani şi glicoproteine structurale. Matricea extracelulară ocupă spaţiul interstiţial şi prezintă o compo -nentă fluidă reprezentată de apă şi de molecule solubile şi o componentă solidă alcătuită din molecule insolubile şi macromolecule ordonate în structuri. Componentele matricei extracelulare sunt secretate de către celulele con -junctive. Până nu demult se considera că matricea extracelulară este alcătuită din proteine structurale pasive. În prezent, ca urmare a progreselor din biochimia şi biologia celulară şi moleculară a ţesutului conjunctiv, s -a schimbat con-cepţiei privind matricea extracelulară. Acum este clar că matricea extrace -lulară este implicată într -un număr tot mai mare de procese. Astfel, matricea extracelulară stabilizează structura fizică a ţesuturilor, asigurând elasticitatea ţesuturilor şi organelor; joacă un rol important în adezivitatea celulară; îndeplineşte un rol metabolic şi nu în ultimul rând intervine în morfogeneză prin influenţarea: formei celulelor, proliferării, migrării şi dezvoltării celulelor la embrion. SUBSTANŢA FUNDAMENTALĂ
Substanţa fundamentală a ţesutului conjunctiv este substanţa amorfă, omogenă şi vâscoasă care umple spaţiul dintre fibrele şi celule ţesutului con - junctiv. junctiv. În compoziţia ei intră: glicozaminoglicanii, glicoproteinele structu-rale şi lichidul tisular. Glicozaminoglicanii sunt polizaharide liniare formate din unităţi diza -haridice repetitive şi caracteristice. Acestea sunt compuse din:
acid uronic care poate fi acid glucuronic sau acid iduronic;
hexozamină care poate fi glucozamina sau galactozamina.
Din grupul glicozaminoglicanilor fac parte: acidul hialuronic, condro- itin sulfaţii, heparan sulfatul, keratan sulfatul, dermatan sulfatul şi heparina. Cu excepţia acidului
hialuronic, toţi ceilalţi glicozaminoglicani sunt legaţi covalent de o proteină, rezultând molecule de proteoglicani de proteoglicani..
este bine reprezentat în: substanţa fundamentală a cordonului ombilical, piele, ligamente, sinoviale, valvule cardiace şi în pereţii vasculari. Cea mai mare parte a acidului hialuronic este legată de proteine. Datorită numărului mare de grupări hidroxilice de pe suprafaţa sa, acidul hialuronic are rol în retenţia apei, în controlul mecanismelor de difuzie şi este reglator al unor activităţi enzimatice. Datorită structurii sale laxe şi poroase, acidul hialuronic ţine la distanţă celulele, permiţându -le să se mişte liber şi să prolifereze. Aceste funcţii ale acidului hialuronic sunt importante în î n procesul de diferenţiere celulară, permiţând migrarea celulelor. Acidul hialuronic este sintetizat de fibroblaste şi Acidul hialuronic
mastocite, cantitatea acestuia fiind mai mare la tineri. Sinteza acidului hialuronic este stimulată de hormonii androgeni, estrogeni, STH, ACTH, iar degradarea sa se face cu ajutorul hialuronidazei.
76
Condroitin sulfaţii apar ca amestecuri rezultate prin polimerizarea de unităţi dizaharidice ce conţin o moleculă de acid glucuronic legată de N -acetil galactozamina 4sulfatată sau N -acetil galactozamina 6-sulfatată. Condroitin 4-sulfatul (denumit şi condroitin sulfat A) şi condroitin 6 -sulfatul (denumit şi condroitin sulfat C) sunt legaţi întotdeauna de proteine, fiind bine reprezentaţi în cartilaj, piele, tendon, ligamente şi în pereţii vasculari. Condroitin sulfaţii sunt implicaţi în stabilizarea fibrelor de colagen, prin formarea de punţi in terfibrilare. Keratan sulfatul se găseşte în cornee, în nucleul pulpos şi în cartilaj. El înlocuieşte condroitin 4-sulfatul pe măsură ce ţesuturile îmbătrânesc. Con -centraţia de keratan sulfat este crescută în stările patologice ale ţesutului con -junctiv. Heparan sulfatul şi heparina
au efecte anticoagulante şi de clarificare a plasmei, participând la homeostazia mediului intern. Lanţurile de heparan sulfat se leagă de: colagenii fibroşi de tipul I, III, V, fibronectină, laminină, trombospondină, care sunt sunt prezenţi în matricea interstiţială ce înconjoară lamina bazală. Heparan sulfatul predomină în membranele baz ale de la ni-velul glomerulului renal şi din piele, unde îndeplineşte un rol specific în re -cunoaşterea, ataşarea şi filtrarea unor substanţe anionice. Dermatan sulfatul este un proteoglican sulfatat prezent în piele, inimă şi în vasele de sânge. Gli copr copr otei otei nele str uctur ale sunt
alcătuite dintr -un nucleu proteic şi din polizaharide care se ramifică, se termină adesea cu acid sialic şi nu conţin glucozamină. Glicoproteinele structurale mediază relaţiile intercelulare şi in -fluenţează adezivitatea celulară. Din această categorie fac parte fibronecti-nele, care pot fi identificate în matricea tuturor ţesuturilor conjunctive; con-dronectinele, prezente în cartilaj şi lamininele, l amininele, dispuse în membrana bazală. reprezintă o clasă importantă de proteine multiadezive, identificate în matricea extracelulară conjunctivă şi în membrana bazală, fiind sintetizate de fibroblaste, de celulele endoteliale şi în măsură mai mică de unele celule epiteliale. În prezent se cunosc peste douăzeci de tipuri de lanţuri polipeptidice diferite ce intră intr ă în alcătuirea fibronectinelor. Rolul principal al fibronectinelor este în ataşarea celulelor la colagenul de tip I, II, III şi V, precum şi în formarea de complexe cu fibrina, fibrinogenul, proteoglicanii, heparina, acidul hialuronic şi cu unele componente ale complementului. De asemenea fibronectinele au rol important în organizarea citoscheletului, în migrarea şi diferenţierea celulară din timpul dezvoltării embrionare. În anumite condiţii, fibronectinele pot suplini acţiu nea factorului de creştere a fibroblastului, a factorului de creştere a epidermului şi a prostaglandinei F. Fibronectinele sunt proteine opsonizante care facilitează fagocitoza şi pro -cesele de reparare tisulară. Ele sunt importante deoarece facilitează migrarea macrofagelor şi a altor celule implicate în imunitate, în timpul reparării rănilor. Sinteza şi cantitatea fibronectinelor sunt alterate în boala canceroasă, reducându -se astfel aderenţa intercelulară şi favorizând Fibronectinele
metastazarea. Entactina, Entactina, component ă
a laminei bazale, este o glicoproteină de ade -ziune, sulfatată, legată de laminină. Rolul său este de a lega laminina cu colagenul de tip IV al laminei l aminei densa. 77
este o glicoproteină de adeziune, abundentă în ţesutul embrionar. Este secretată de celulele gliale ale ţesutului nervos în dezvoltare. Are rol în migrarea celulară, prin implicarea în adeziunea dintre celule şi marticea extracelulară. Tenascina
Condronectina colagenul de tip II.
este prezentă în cartilaj, unde mediază adeziunea con -drocitelor la
este o glicoproteină sulfatată, heterotrimerică care se găseşte în mare concentraţie în membranele bazale. Laminina
Osteonectina este o glicoproteină situată în matricea extraccelulară a osului. Are rolul de a lega mineralele la colagenul de tip I; infl uenţează cal -cificarea prin inhibarea creşterii cristalelor. Li chidul tisular tisular rezultă
în urma trecerii din capilare în ţesutul conjunc -tiv a apei, împreună cu molecule mici, inclusiv proteine cu masă moleculară mică şi cu diferiţi ioni. Rezultă în felul acesta un lichid asemănător cu plasma sanguină. În unele situaţii patologice, apa se acumulează în cantitate mare în ţesuturile conjunctive, formându -se edeme.
FIBRELE CONJUNCTIVE
În substanţa fundamentală a ţesuturilor conjunctive se deosebesc trei cat egorii de fibre: de colagen, elastice şi de reticulină. La microscopul optic ele au aspect diferit, dar studiile biochimice şi cele de microscopie electronică au scos în evidenţă faptul că între ele există asemănare ultrastructurală şi de compoziţie în ami noacizi. FIBRELE DE COLAGEN
Colagenii sunt o clasă majoră de proteine fibroase insolubile în matricea extracelulară a ţesutului conjunctiv. Colagenul formează mai mult de 30% din greutatea proteinelor din ţesutul conjunctiv, iar în piele mai mult de 70% din greutatea dermului. În funcţie de necesităţile structurale şi funcţionale ale ţesutului, ele -mentele colagene pot fi abundente (ex. ( ex. ţesut conjunctiv dens) sau slab re -prezentante (ex. (ex. ţesutul conjunctiv lax) -un mod distinct. De exemplu în tendon şi ligamente, fibrele de colagen şi pot fi dispuse într -un sintetizate de fibroblaste sunt groase, lungi şi grupate în fascicule paralele, ce conferă rezistenţa necesară la întindere. În contrast, fibrele de colagen au tendinţa de a fi dispuse circular în jurul axului lung al unor structuri tubulare, extensive, cum sunt vasele de sânge sau intestinul. În cartilaj şi os, fibrele de colagen sintetizate de condroblaste respectiv osteoblaste, sunt dispuse astfel încât să ajute la îndeplinirea rolului mecanic al schele tului. Moleculele de colagen reprezintă o componentă majoră a laminei ba -zale, care se găseşte interpusă între celulele epiteliale şi ţesutul conjunctiv subiacent. În microscopia 78
electronică, lamina bazală poate fi observată ca o reţea de fibrile fine ce pierd modelul caracteristic reprezentat prin benzi în -tunecate şi clare. Endoteliul capilarelor este de asemenea susţinut de o lamină bazală. În acest caz (capilarele glomerulului renal) lamina bazală are o gro-sime de 1500 Å. Colagenul serveşte pentru o varietate largă de funcţii struc turale şi mecanice, iar ca un component al laminei bazale joacă un rol important în controlul permeabilităţii vasculare vasculare şi epiteliale. Fibrele de colagen se colorează în roz în coloraţia uzuală cu hematoxi -lină-eozină, albastru în coloraţia tricrom Malory sau cu albastru de anilină, verde prin metoda tricrom Masson (modificată de Goldner), roşu aprins prin metoda Van Gieson şi în mod specific roşu cu colorantul roşu Sirius. Fibrele de colagen au diametrul de 10-15 µm, culoarea albă, sunt drepte sau ondulate, fibrile fine de 0,3-0,5 nu se ramifică şi nu se anastomozează. Fiecare fibră este alcătuită din fibrile fine µm, dispuse paralel, solidarizate între ele prin proteoglicani. Studiile de microscopie electronică au arătat că fiecare fibrilă este alcă -tuită din protofibrile cu protofibrile cu diametrul de 200-400 Å, cu un aspect ultrastructural caracteristic, reprezentat printr-o periodicitate de 640 Å compusă dintr -o -o ban-dă clară şi o bandă întunecată. Unitatea de proteină care se polimerizează pentru a forma fibrilele de colagen este o tropocolagen, care măsoară 280 nm în lungime şi 1,5 nm moleculă alungită denumită tropocolagen,
grosime. Tropocolagenul constă din trei subunităţi de lanţuri polipeptidice alfa spiralate, dispuse sub forma unui triplu helix. Diferenţele în compoziţia chimică a acestor lanţuri polipeptidice sunt respon-sabile de existenţa diferitelor tipuri de colagen. Structura moleculară este de-terminată de compoziţia în aminoacizi a fiecărui lanţ. Lanţurile de polipep tide din colagen conţin secvenţa repetitivă de tipul (X -Y-Gly)n, în care cel mai adesea prolina se află în poziţia X, iar hidroxiprolina în poziţia Y. Aceşti doi aminoacizi reprezintă 22% din compoziţia în aminoacizi a colagenului. Glicina reprezintă aproximativ 33% din conţinutul în aminoacizi a colagenu-lui.
Toţi colagenii prezintă segmente helicale spiralate care constau din lan -ţuri similare ca structură, dar proprietăţile unice ale fiecărui tip de colagen se datorează în primul rând segmentelor care întrerup triplu helixul şi care se plicaturează în alte tipuri de structuri tridimensionale.
Configuraţia sub formă de triplu helix îi oferă colagenului o serie de proprietăţi unice şi este esenţială pentru fibrilogeneza normală. Mutaţiile care afectează formarea unui triplu helix stabil, conduc la modificări funcţionale ale ţesutului conjunctiv. În colagenii de tip I, II şi III, moleculele de tropocolagen se agregă în unităţi microfibrilare care se împachetează împreună pentru a forma fibrile. Legăturile de hidrogen şi stabilirea de interacţiuni hidrofobe, reprezintă etape importante în agregarea şi împachetarea acestor molecule. Într -o etapă ulterioară, această structură este solidarizată prin formarea unei legături co-valente, proces catalizat de lizil oxidază. În prezent este clară ideea potrivit căreia colagenii reprezintă o familie de proteine foarte înrudite structural, dar care din punct de vedere genetic sunt distincte. În genomul uman există cel puţin 25 de gene diferite ce codifică lanţu -rile alfa, care prezintă diferenţe minime în secvenţele de aminoacizi, iar aceste lanţuri alfa corespund cel puţin pentru 16 tipuri diferite de colagen identificate şi numerotate cu litere li tere romane. În pielea umană s-au identificat 10 tipuri de colagen distincte din punct de vedere genetic, iar localizarea precisă a genelor pe cromozomi, pentru cei mai mulţi dintre aceştia, a fost făcută prin tehnici de hibridizare in situ. 79
Segmente colagenice de tipul triplu helix au fost identificate şi în alte proteine, ca: acetilcolinesteraza, acetilcolinesteraza, fracţiunea C1q a complementului şi în recep-tori ai macrofagelor. FIBRELE ELASTICE
Fibrele elastice sunt alcătuite din elastină, o scleroproteină care spre de osebire de colagen conţine în cantitate mai mică hidroxiprolina, dar în mod caracteristic mai multă valină, dezmozină şi isodezmozină. Proprietatea e -senţială a fibrelor elastice este elasticitatea, proprietate care diminuă odată cu îmbătrânirea organismului, din cauza depunerii sărurilor de calciu şi a trans-formării elastinei în elacină. Elastina este sintetizată de fibroblaste şi se agre gă în fibre cu diametrul de 0,5 -2 µm, mai subţiri decât cele colagene, care se ramifică şi se anastomozează. Precursorul intracelular al elastinei se numeşte tropoelastină, care prin polimerizare dă naştere fibrelor elastice solidarizate între ele prin legături covalente şi necovalente. Fibrele şi lamele elastice se colorează slab prin metoda hematoxilină -eozină sau sunt cromofobe, fiind evidenţiate cu orceină în roşu brun, în roşu cu rezorcină -fuxină sau în negru cu aldehid- fuxină; sunt constant PAS+ datorită cimentului interfibrilar de natură glicoproteică. Examinate cu ajutorul microscopului electronic cu transmisie, fibrele elastice mature
prezintă două componente distincte: distincte: componenta majoră reprezentată de elastină (aproximativ 90%) care es te amorfă, electronodensă electronodensă şi nu prezintă periodicitate distinctă în mi -croscopia electronică; componenta microfibrilară care înconjoară elastina fiind reprezentată de microfibrile cu diametrul de aproximativ 10-12 nm, alcătuite din fibrilină, o familie de glicoproteine codificate de gene aflate pe cro- mozomii umani 5, 15 şi 17; o caracteristicile fibrilinei este conţinutul său mare în î n cisteină. Fibrele elastice din ţesuturile conjunctive formează o reţea res - ponsabilă ponsabilă de elasticitatea diferitelor organe.
Distribuţia fibrelor elastice este variabilă în diferite ţesuturi : în plămâni şi în aparatul cardiovascular sunt bine reprezentate (abundente); în aortă se găsesc lamele elastice, iar în piele constituie o componentă minoră, elastina reprezentând doar 1-2% din greutatea dermului.
FIBRELE DE RETICULINĂ
Fibrele de reticulină sunt formate din reticulină, substanţă asemă -nătoare colagenului, denaturată de colagenază şi pepsină, dar rezistentă la acţiunea tripsinei. Diferenţele faţă de colagen sunt legate de compoziţia în aminoacizi, concentraţia mai mare de glucide şi prezenţa unei importante fracţiuni lipidice (absente din colagen). Fibrele reti culare sunt mai numeroase la tineri, aspect care pledează pentru transformarea transformarea lor în fibre colagene la bă b ă -trâni. Fibrele de reticulină sunt foarte subţiri, cu diametrul cuprins între 0,5 -2 µm; se ramifică şi se anastomozează formând reţele. Nu se evidenţiază în coloraţii uzuale, decât prin impregnaţie argentică şi sunt PAS+. Argirofilia şi reacţia PAS+ sunt date de concentraţia mare de glicoproteine asociate acestor fibre. Fibrele de reticulină conţin 6 -12% hexoze faţă de numai 1% în fibrele de colagen. Imunocitochimia şi histochimia evidenţiază că fibrele de 80
reticulină sunt alcătuite în principal de colagen de tip III în asociere cu alte tipuri de colagen, glicoproteine şi proteoglicani. Ultrastructural, fibrele de reticulină prezintă fibrile cu periodicitate axială specifică colagenului, dar cu o dispoziţie particulară ce explică absenţa birefringenţei. Fibrele de reticulină sunt sintetizate de fibroblaste, condroblaste, celul e endoteliale, ca molecule de colagen tip III, care exocitate vor polimeriza în spaţiul extracelular.
PROLIFERAREA ŞI DIFERENŢIEREA CELULARĂ Dezvoltarea organismului se realizează prin realizează prin două procese procese fundamen-tale: proliferarea celulară celulară, prin care se produce creşterea numerică a celulelor , diferenţierea celulară, prin care se produce specializarea celulelor pentru îndeplinirea anumitor funcţii. În perioada timpurie a dezvoltării embrionare se produce proliferarea rapidă a celulelor, iar prin diferenţiere vor rezulta numeroase tipuri de celule specializate. Organismul adult este alcătuit din mai multe sute de tipuri celulare deosebite, majoritatea fiind blocat în faza Go a ciclului celular.
Diferenţierea celulară: se desfăşoară pe tot parcursul vieţii (începe în momentul concepţiei şi încetează la
moartea individului). are intensitate maximă în timpul dezvoltării embrionare, este un proces ireversibil la om, deoarece nici o celulă diferenţiată nu mai poate, în condiţii normale să-şi recapete caracterele embrionare avute la începutul diferenţierii.
Desfăşurarea procesului de diferenţiere celulară are la bază anumite me canisme specifice. Astfel, la mamifere fertilizarea oului marchează înce-putul procesului de diferenţiere. Oul fertilizat şi celulele rezultate din primele două diviziuni (primele blastomere) pot genera prin diferenţiere oricare din tipurile celulare funcţionale ale adultului. Acestea au deci un potenţial maxim de diferenţiere, motiv pentru care sunt numite celule pluripotente sau multipotente. În cazul celulelor pluripotente, întregul set de gene din nucleu este funcţional, ele având astfel posibilitatea să urmeze orice traseu evolutiv de diferenţiere. Când celulele di scului embrionar se dispun pe cele trei straturi ectoderm, mezoderm şi endoderm, ele devin celule orientate. Din acest mo -ment ele pot da naştere diferitelor tipuri de celule. Astfel, celulele ecto-dermului vor putea forma celule nervoase, celule epiteliale. Şi celulele orientate posedă întregul set de gene caracteristic speciei res - pective pective însă
nu toate sunt funcţionale, unele fiind represate. Vor rămâne funcţionale acele gene care sunt necesare pentru îndeplinirea funcţiilor specifice, caracteristice tip urilor celulare spre care poate evolua o celulă orientată. Se formează mai târziu celulele stem, care au capacitate de înmulţire, dar pot da naştere numai unui singur tip celular sau a unui număr mic de celule înrudite. Astfel, celulele stem din măduva osoasă hematogenă hematogenă reprezintă celule cap de serie pentru leucocite, hematii şi 81
trombocite; celulele stem din epiteliu sunt celule cap de serie pentru celulele epiteliale.
Celulele care se formează din celulele stem nu mai au posibilităţi de diferenţiere, ele numindu-se celule adulte specializate. specializate. Înlocuirea acestora se poate face doar pe baza celulelor stem.
Organismul adult la mamifere nu posedă celule pluripotente sau celule orientate, dar are rezerve de celule stem în toate ţesuturile care se autoîntreţin prin diviziune. Excepţie fac ţesutul muscular cardiac şi ţesutul nervos ale căror celule nu se mai divid. FACTORII DE CREŞTERE
Proliferarea celulară este controlată prin factorii de creştere care se leagă la receptorii de pe suprafaţa celulară, care la rândul lor sunt conectaţi la moleculele semnal care transmit mesajul la receptorii nucleari, unde factorii de transcripţie se leagă la ADN, iar sinteza pr oteică oteică va fi stimulată, determinând astfel continuarea diviziunilor celulare ( fig. 9). Factorii de creştere sunt proteine care se leagă la receptorii de pe suprafaţa celulelor, având ca principal rezultat activarea proliferării şi/sau diferenţierii celulare (tabel. 2). Mulţi factori de creştere sti mulează tipuri diviziunea celulară a mai multor celulare, în timp ce alţii sunt specifici unui tip celular.
proliferării
Fig. 9. Diagrama controlului celulare.
Factorul de creştere al epidermului (EGF). Ca şi alţi factori, se leagă de receptorii specifici de pe suprafaţa celulară. Receptorul pentru E GF conţine un domeniu kinazic, cu activitate tirozin kinazică activat ca răspuns la legarea EGF. Acest domeniu kinazic va fosforila receptorul EGF printr-un proces de autofosforilare, ca la alte proteine, cu activarea receptorului. Experimental s-a demonstrat că proto-oncogena Neu este omoloagă receptorului EGF.
Factorul de creştere al epidermului are efecte proliferative atât asupra celulelor de origine mezodermală, cât şi asupra celor de origine ectodermală, în mod particular asupra ibroblastelor. EGF are efect negativ asupra unor carcinoame, cât şi asupra cheratinocitelor şi f ibroblastelor. celulelor foliculului de păr. 82
Tabel. 2. Factorii de creştere şi efectele lor.
Factor de
creştere PDGF EGF TGF-α
FGF
Sursa principală trombocitele, celulele endoteliale, placenta glandele submaxilare, glandele Brunner celule tumorale (carcinoame), macrofage, cheratinocite activate diferite tipuri celulare, proteine asociate matricei extracelulare
–
NGF Eritropoetina TGF-β
Activitate primară
rinichii celulele TH 1 (T-helper) ac-
tivate şi celulele (NK)
stimulează proliferarea: ţesutului conjunctiv, celulor glialele, celulelor musculare netede
stimulează proliferarea celulelor mezenchimale, gliale şi epiteliale important în procesele de vinde care
stimulează proliferarea diferitelor celule, inhibă unele celule stem, induce dezvoltarea mesodermului
în fazele embrionare precoce stimulează creşterea neuritului şi supravieţuirea celulelor nervoase stimulează proliferarea şi diferen ţierea eritrocitelor efect antii nflamator, stimulează procesele de vindecare, inhibă proliferarea macrofagelor şi limfocitelor
IGF-I
ficatul
IGF-II
diverse celule
stimulează proliferarea diferitelor tipuri celulare
stimulează proliferarea diferitelor tipuri celulare de origine fetală
Tot un răspuns la EGF este şi inducţia expresiei unor proto-oncogene nucleare, cum sunt
Fos, Jun şi Myc. M yc. EGF are de asemenea efect de scădere a secreţiei gastrice acide. Factorul de creştere derivat din plachete (PDGF) este alcătuit din două lanţuri polipeptidice A şi B, care formează homodimerii AA sau BB, sau hetero-dimeri (AB). Protooncogena c-Sis este omoloagă lanţului A al PDGF. Doar forma dimerică a PDGF interacţionează cu receptorul PDGF. Se cu -nosc receptori specifici homodimerului AA şi receptori pentru dimerii BB şi AB. Ca şi receptorul EGF, receptorii PDGF au activitate tirozin kinazică intrinsecă. După autofosforilarea receptorului PDGF, numeroase proteine semnal asociate receptorului sunt în mod subse cvent tirozin fosforilate. Efectul proliferativ al PDGF se exercită asupra mai multor tipuri de celu le mezenchimale. Alte răspunsuri la PDGF includ: r emanierile emanierile citoscheletale şi in tensificarea turnoverului polifosfoinositolului. Ca şi EGF, PDGF induce expresia a numeroase proto-oncogene localiza te nuclear, cum sunt Fos, Myc şi Jun.
Factorul de creştere fibroblastică (FGFs). Sunt cel puţin 19 membrii distincţi ai familiei FGF. Sarcomul Kaposi, prevalent la pacienţii cu SIDA, secretă un omolog al FGF, 83
numit proto-oncogena K-FGF. FGFs au un rol imp ortant în dezvoltarea sistemului scheletal şi a celui nervos. FGFs au efect neurotrofic pentru celulele sistemului nervo s central şi periferic. De asemnea, diferiţi membrii ai familiei FGF sunt inductori puternici ai diferenţierii mezodermale în perioada timpurie a vieţii em brionare. Ca efecte non-proliferative sunt
reglarea funcţiei celulelor hipofizei şi ovarului. Factorii de creştere fibroblastici interacţionează cu receptori celulari specifici. Au fost identificate patru tipuri distincte de receptori FGFR1-FGFR4. Toţi aceşti receptori au activitate tirozin kinazică intrinsecă, la fel ca receptorii EGF şi PDGF. Şi în acest caz, autofosforilarea este răspunsul imediat la legarea FGF. După activarea receptorilor FGF numeroase proteine semnal asociate recep-torului vor suferi procese de tirozin fosforilare. Proto-oncogena Flg este omoloagă fam iliei de receptori FGF. Receptorul FGFR1 este
şi poarta de intrare în celule a herpes virusurilor. FGFs se prinde la suprafaţa celulei de proteoglicanul heparansulfat. Scopul acestei legături nu este clar, dar permite ca factorul de creştere să rămână asociat suprafeţei extracelulare a celulei, care poate astfel stimulată în diferite con-diţii. Receptorii FGF au expresie crescută la osul osul în dezvoltare dezvoltare şi diferite boli dominant autozomale rezultă în urma unor mutaţii al e genelor receptorilor FGF. Cu prevalenţă mare este acondr oplazia, oplazia, la aceşti pacienţi producându -se modificări ale domeniului transmembranar al FGFR3 (glicina înlocuieşte arginina). Alte tulburări ale creşterii oaselor cunoscute ca sindroame cra -niosinostoză rezultă în mutaţii ale FGFR1, FGFR2 şi FGFR3. Uneori aceeaşi mutaţie putând cauza două sau mai multe astfel de sindroame (tabel. 3).
Tabel. 3. Sindroame produse de mulaţii ale genelo r receptorilor FGF.
Receptor afectat
Sindrom produs
FGFR1 FGFR2 FGFR2 FGFR2 FGFR2 FGFR2 FGFR3
Pfeiffer Apert Beare-Stevenson Crouzon Jackson-Weiss Pfeiffer Crouzon
) a fost caracterizat ca o proteină Factorul de creştere transformator - (TGF- ) (secretată de celule tumorale) capabilă să inducă transformarea fe -notipului celulelor nonneoplazice în cultură. Acest efect este reversibil, as -pect demonstrat de revenirea celulelor la -tarea TGF- TGF-. Au fost identificate mai multe proteine un fenotip normal după îndepăr -tarea omoloage TGF- TGF- (TGF- (TGF--1 – TGF- TGF--4). De asemenea există mai multe clase de receptori de suprafaţă care leagă diferit TGF-. TGFs- TGFs- au efecte proliferative asupra multor celule mezenchimale şi e - piteliale. piteliale. În TGFs- au efecte antiproliferative asupra celu-lelor endoteliale, macrofagelor, diferite condiţii TGFs- limfocitelor T şi B. Unele efecte includ scă -derea secreţiei de imunoglobuline, supresia 84
hematopozei, miogenezei, adipo-genezei, steroidogenezei. Diferiţi membrii ai familiei TGF- TGF- pot induce di-ferenţierea mezodermală în perioada timpurie a embriogenezei. Factorul de creştere transformator t ransformator - (TGF- (TGF- ) ca şi forma β, a fost ini-ţial identificat ca substanţă secretată de diferite celule tomorale. În conjuncţie cu TGF --1, poate transforma reversibil diferite tipuri de celule nor male male în cultură. TGF - se leagă la receptorii EGF ca şi de receptorii proprii pro-ducându -se astfel efectul factorului de creştere. Sursa principală de TGF- TGF- sunt carcinoamele, dar şi macrofagele şi cheratinocitele activate. În popu -laţiile de celule normale, TGF- TGF- este un puternic factor de creştere al chera -tinocitelor. Eritropoietina (Epo) este sintetizat de rinichi, fiind reglator al eritropo-iezei. Epo stimulează proliferarea şi diferenţierea eritrocit elor imature, sti-mulează creşterea celulelor progenitoare eritroide şi induce diferenţierea diferenţierea uni-tăţilor formatoare de colonii de eritrocite. Factorul de creştere insulin-like (IGF-I), numit iniţial somatomedina C, este un factor de creştere înrudit structural cu insulina. IGF- I este produs ca răspuns la hormonul de creştere (GH) şi atunci induce activităţi celulare sub -secvete, în mod particular în dezvoltarea osoasă. osoasă. Datorită faptului că IGF-I răspunde la hormonul de creştere a fost numit somatomedină. Studiile ulterioare au demonstrat că IGF -I are activităţii aut ocrine şi paracrine în plus faţă de activităţile endocrine observate iniţial. Re -ceptorul IGF-I, ca şi receptorul pentru insulină, are activitate intrinsecă ti -rozin kinazică. Datorită structurii similare, IGF-I poate să se lege de recep-torii pentru insulină, dar cu o afinitate mai mică decât insulina. Factorul de creştere insulin -like este aproape exclusiv exprimat în ţesu -turile embrionare şi neonatale. După naştere n ivelul detectabil al IGF-II scade semnificativ. De aceea se consideră că este un factor de creştere fetal. Re -ceptorii IGF-II sunt identici cu receptorii pentru manoză -6-fosfat, respon-sabili pentru integrarea enzimelor în lizozomi. (TNF- ) ) este produs de către macrofa-gele activate. Factorul de necroză tumoral - (TNF- TNF- induce expresia altor factori de creştere au -tocrini, intensificând răspunsul Ca şi IL-1, TNF- celular la acţiunea factorilor de creştere. TNF - acţionează sinergic ce EGF şi PDGF asupra unor tipuri celulare. Ca alţi factori de creştere, TNF- induce expresia unor proto-oncogene
nucleare şi a unor interleukine. Factorul de necroză necroză tumoral - (TNF- (TNF- ) se caracterizează prin capaci-tatea de a omorî diferite tipuri celulare şi de capacitatea de a induce diferen -ţierea terminală în altele. Un TNF- este inhibarea lipoprotein lipazei răspuns semnificativ non - proliferativ proliferativ ca răs-puns la TNF- TNF- se realizează în principal în prezentă pe suprafaţa c lulelor endoteliale. Sinteza TNF- limfocitele T citotoxice. Inducerea expresiei TNF- TNF- rezultă după creşterea nivelului IL -2, ca şi prin interacţiunea antigenelor cu receptorii de pe celulele T. Citokinel e: e:
reprezintă un grup de molecule cu rol regulator ce funcţioneaza ca mediatori ai comunicării intercelulare, în condiţii normale cât şi în condiţii patologice, sunt glicoproteine solubile, cu greutate moleculară mică, îşi exercită efectele prin intermediul interacţiunii cu receptori specifici de pe suprafaţa
celulelor circulante sau a celor tisulare, sunt secretate primar de către leucocito şi stimulează răspunsul imun umoral şi celular
şi celulele fagocitare: o o
citokinele secretate de limfocite se numesc limfokine, cele secretate de monocite sau macrofage sunt numite monokine. 85
O mare familie de citokine sunt produse de diferite celule ale orga-nismului. Multe dintre limfokine sunt cunoscute ca interleukine, care nu sunt secretate doar de leucocite, dar
sunt capabile să afecteze răspunsul celular al leucocitelor. În mod specific interleukinele sunt factori de creştere orientaţi spre celule de origi ne hematopoietică. au un spectru mult mai larg de efecte biologice (tabel. 4). Au fost Interleukinele
descrise până acum aproximativ 20 de tipuri de interleukine. IL -1, IL-6 şi IL-8 sunt mediatori multifuncţionali nespecifici sintetizaţi de mai multe tipuri celulare, printre care şi de keratinocite, cu rol în etapa precoce a re -acţiilor de apărare a organismului împotri va diferitelor agresiuni. În ansamblu rolul lor este de reglare a proliferării, diferenţierii şi migrării mi grării celulelor infla-matorii şi non-inflamatorii. Interleukina-1 (IL-1) este reprezentată de o familie de trei polipeptide înrudite din punct de vedere structural. Acestea sunt IL-1a şi IL-1b, molecule cu un spectru larg de efecte
sistemice, locale (prin mecanism autocrin) şi imunologice, acestea din urma cu rol în medierea mecanismelor de aparare ale organismului gazda. A treia polipeptidă este antagonistul receptorului IL-1 (IL-1ra), inhibitor specific al activitaţii IL -1.
Tabel. 4. Citokinele şi rolul lor. Interleukina IL1-α şi IL-1-β IL-2 IL-3
IL-4
IL-5
IL-6
Principala sursă
Activitate primară
macrofagele şi alte
costimularea celulelor prezenta-
celule prezentatoare de antigene limfocitele TH1 şi NK limfocitele T activate limfocitele TH2 mastocitele
şi
limfocitele TH2 şi mastocitele limfocitele TH2 activate, celulele prezentatoare de anti-
gene şi alte celulele
toare de antigene şi a limfocitelor T; inflamaţie şi febră, hematopoieză proliferarea limfocitelor B şi a limfocitelor T activate, funcţii NK creşterea celulelor hematopoietice progenitoare
proliferarea limfocitelor B, creşterea şi funcţionarea eozinofilelor ea producşi mastocitelor, inhibar ea ţiei de monokine creşterea şi funcţionarea eozinofilelor proliferarea limfocitelor B, trom bopoieză, sinergic cu IL-1 şi TNF pe imfocitele T
somatice celulele stromale tiIL-7 IL-8
mice şi din măduva osoasă macrofagele şi alte
limfopoieză T şi B
celule somatice
celule T
chemoatractant pentru neutrofile şi efecte hematopoietic şi timopo-
IL-9
limfocitele T
IL-10
celulele TH2 activa+ te, celulele TCD8 , celulele B, macrofa-
ietic
86
inhibă producţia de citokine, stimulează proliferarea limfocitelor B şi producerea de anticorpi, efect
supresor asupra imunităţii celulare, creşterea mastocitelor efecte hemato- şi trombopoietice
gele IL-11
celulele stromale
IL-12
limfocitele crofagele
IL-13
B,
ma-
proliferarea celulelor NK, producerea de INF-γ, stimulează imuni-
tatea mediată celular proliferarea limfocitelor B, creşterea şi funcţionarea eozinofilelor şi mastocitelor, inhibarea producţiei de monokine
limfocitele TH2
Principala funcţie a IL -1 este de a intensifica activarea limfocitelor T ca răspuns la antigene. Activarea imfocitelor T de către IL-1 determină creşte -rea de către limfocite T a producţiei de IL-2 şi de receptori a IL-2, care de-termină intensificarea activării limfocitelor T (prin mecanism autocrin). IL-1 induce de asemenea creşterea expresiei interferonului -γ (IFNγ) asupra lim-focitelor T. Interleukinele-1 sunt secretate primar de către macrofage, dar şi de către neutrofile, celule endoteliale, celule musculare netede, celule gliale, astrocite, celule T şi B, fibroblaste şi cheratinocite. Producţia de IL -1 de către aceste tipuri diferite de celule se produce doar doar ca răspuns la stimularea celulară. celulară. În plus faţă d e efectele asupra celulelor T, IL-1 poate induce pro-liferarea celulelor non-limfoide. Interleukina-2 (IL-2) produsă şi secretată de
limfocitele T activate, este o interleukină majoră responsabilă pentru proliferare clonală a celulelor T. IL -2 exercită efecte şi asupra limfocitelor B, macrofagelor şi celulelor natural killer (NK). Producţia de IL -2 se realizează primar la nivelul limfocitelor T helper CD4+ T. Expresia atât a IL-2, cât şi a receptorilor IL-2 este realiază de celulele T, fiind indusă de IL -1. IL-2 are rol în:
stimularea proliferarii limfocitelor T cu receptori cu afinitate mare pen-tru IL-2,
stimularea proliferării şi diferenţierii limfocitelor B activate, stimularea activităţii celulelor NK, stimularea sintezei IFN-γ la nivelul celulelor T. Interleukina-3 Interleukina-3 (IL-3)
produsă de celulele T activate, este un membru al familiei factorilor de stimulare a coloniilor (CSFs). Principala acţiune este stimularea formării coloniilor de granulocite, macrofage şi a coloniilor de granulocite -macrofage. În pl us stimulează şi producţia de megacariocite. Interleukina-4 (IL-4), denumită iniţial factorul de stimulare al limfoci -telor B (BSF-1) are ca principale efecte: activarea proliferării celulelor B, inducerea expresiei antigenelor clasei a II-a a MHC, inducerea sintezei de IgG şi IgE, factor de creştere pentru unele limfocite T şi mastocite. Interleukina-5 (IL-5) acţioneaza
ca: stimulatoare a sintezei de imunoglobuline de către limfocitele li mfocitele B, activatoare a proliferării şi funcţiei eozinofilului. 87
Interleukina-6 (IL-6) apartine (IL-6) apartine grupului de factori stimulatori ai celulei B (BSF-2). IL-6 este produsă de macrofage, fibroblaste, celule endoteliale şi celule T helper activate. IL -6 acţionează sinergic cu cu IL -1 şi TNF în reali -zarea răspunsului imun, incluzând act ivarea celulelor T. Are multiple alte e-fecte biologice: induce diferenţierea limfocitelor B şi sinteza consecutivă de imunoglo -buline, este cofactor al proliferarii celulelor T, este cofactor al sintezei de IL-2, stimulează sinteza de glucocorticoizi, glucocorticoizi, este principalul inductor al proteinelor de faza acută cu origine hepatică, acţionează sinergic cu CSFs în diferenţierea celulelor hematopoietice. Interleukina-7 (IL-7) unor limfocite T.
este un factor de creştere a celulelelor B imature, timocitelor şi a
reprezintă o familie de proteine cu acţiune chemo -atractantă asupra leucocitelor şi fibroblastelor. Această familie de proteine se numesc chemokine. IL -8 este produsă de monocite, neutrofile, celule NK şi are rol de chemoatractant pe ntru neutrofile, bazofile şi celule T. Interleukina-8 (IL-8)
Interleukina-9 (IL-9) leucemice megacarioblastice.
stimuleaza proliferarea celulelor T, mastocitelor şi celulelor
Interleukina-10 (IL-10) este o citokină pleiotropică produsă de limfoci -tele Th2. TNF- , IFN- IFN- şi a GM-CSF. Inhibă sinteza: IL-2, IL-3, TNF- Celelalte limfocite IL-11 – IL IL-20 sunt recent descrise, funcţiile lor fiind încă incomplet elucidate. Familia interferonilor (IFN) este formată din IFN-α produs mai ales de leucocite; IFN-β, sintetizat de fibroblaste şi celulele endoteliale şi IFN -γ sin-tetizat de limfocite. IFN-α şi IFN-β au un receptor comun, diferit de cel al IFN-γ. Acţiunile interferonilor sunt (tabel. 5): controlul creşterii şi diferenţierii celulare, modularea raspunsului raspunsului imun celular şi umoral, modificări ale suprafeţei membranei celulare. Tabel. 5. Interferonii şi rolul lor. Interferonii Sursa principală macrofagele, neutrofilele şi unele ce INF-α şi INF-β lule somatice INF-γ
limfocitele TH1
activate şi celule NK
Activitate primară efect antiviral, activarea
celulelor şi macrofagelor activarea macrofagelor, neutrofilelor, limfocitelor NK,
stimulează imunitatea mediată celular, efect antiviral
88
Factorii de stimulare a coloniilor (CSFs) sunt citokine care stimulează proliferarea unor celule stem specifice pluripotente din măduva osoasă la a -dult. Factorul de stimulare a coloniilor de granulocite (G-CSF) are efecte proliferative asupra liniei granulocitare. Factorul de stimulare a coloniilor de macrofage (M-CSF) este specific pentru linia macrofagelor. Există şi fac-torul de stilulare a coloniilor de granulocite şi macrofage (GM -CSF) care sti-
mulează proliferarea ambelor tipuri celulare. Epo este considerat ca factor de creşterea a coloniilor (CSF), pentru că stimulează proliferarea unităţilor for-matoare a coloniilor de eritrocite. IL-3 este de asemenea cunoscut ca multi-CSF, pentru că stimulează celulele stem să producă toate formele de celule hematopoietice. hematopoietice. SEMNALIZAREA SEMNALIZAREA CELULAR Ă
Celulele nu trăiesc izolat, comunicarea intercelulară ajungând în orga -nismele superioare la o mare complexitate. Orice modificare aparută în comunicarea intra- sau intercelulară ca urmare a unor disfuncţii ale unor căi de semnalizare celulară, determină modificări în creşterea şi diferenţierea celu lelor. Celulele semnalizatoare sintetizează mo leculele semnal sau liganzii, c-re vor ajunge la celulele ţintă, unde detecţia lor este realizată de receptori specifici. Prin transducţie, semnalul captat de receptor este transmis, declanşând răspunsul celular. Astfel, mol eculele semnal pot (ex. glicozilarea în he patocitele care dedeclanşa: mo-dificarea metabolismului celular (ex. ii electrice membra-nare, sau tectează adrenalina), o imediată modificare a încărcătur ii modificarea expresiei unor gene (transcripţia) în nucleu. În funcţie de distanţa la care sunt transmise semnalele, deosebim: semnalizarea endocrină, endocrină, moleculele semnal sunt hormonii, ce acţionează la distanţă , semnalizarea paracrină, realizată între celulele veci ne prin intermediul citokinelor, semnalizarea autocrină, în care celulele răspund la moleculele semnal pe care le produc.
Liganzii sunt de două tipuri: unii trec prin membrana plasmatică, pentru a se lega la receptorii intracelulari ( ex. steroizii, monoxidul de azot), ex. proteine). alţii se leagă la receptorii celulară de la suprafaţa celulei ( ex. proteine). Steroizii sunt mici molecule hidrofobe care pot difuza liber prin mem brana plasmatică, pentru a se lega le ga la receptorii intracelulari. Receptorii pentru steroizi sunt proteine ce se află în nucleu, cu excepţia celor pentru glucocorticoizi, care se află în citosol înaite de a lega ligandul. După legarea moleculei semnal, receptorii devin activatori sau vor represa genele ţintă. Monoxidul de azot după ce este sintetizat, iese în afara celulei afectând activitatea celulelor vecine prin mecanism paracrin. După ce difuzează liber prin membrana plasmatică monoxidul de az ot va acţiona pe enzimele intracelulare. Cea mai frecventă proteină ţintă este guanil ciclaza, enzima care generează mesagerul de ordinul II, cGMP.
89
La cea de-a doua categorie de liganzi: hormonii peptidici (insulina, glucagonul,
hormonul de creştere, ACTH, etc.) sau factorii de creştere, legarea se face la receptorii de la suprafaţa celulelor, ceea ce va declanşa un lanţ de reacţii intracelulare. Interacţiunile dintre receptorii de pe suprafaţă şi moleculele ţintă in -tracelulare se realizează prin intermediul proteinei G. Receptorii cuplaţi cu proteina G (RCPG) sunt asemănători din punct de vedere morfofuncţional, prezentând şapte pasaje transmembranare. Proteina G sunt alcătuit din subunităţile α, β, γ şi este în legătură cu membrana plasmatică. Legarea liganzilor la RCPD va fi urmată de legarea acestuia de o proteină G, care va fi activată, se va desprinde de receptor, transportând semnalul la o ţintă intra-cito plasmatică, canal ionic, enzimă (fig. 10).
Fig. 10. Diagrama activităţii receptorilor legaţi de proteina G.
Există şi altfel de receptori celulari, receptorii tirozin kinazici, care spre deosebire de cei descrişi mai sus se leagă la enzimele intracel ulare. În această categorie este inclusă majoritatea factorilor de creştere. Procesul de fosforilare care urmează legării ligandului va cuprinde atât proteina receptor, cât şi proteina ţintă intracelulară. Acest proces stă la baza răspunsului celular la acţiunea factorilor de creştere. Receptorii pentru citokine şi pentru unii hormoni peptidici func-ţionează în asociere cu tirozin kinaze nereceptoare, care aparţin familiilor Src, Janus sau Jak. Legarea ligandului va determina dimerizarea receptorului şi fosforilarea încrucişată a tirozin kinazelor nereceptoare, care odată activate vor fos forila receptorul, iar apoi tirozin fosforilarea moleculelor de semnalizarea situate în aval.
90
ÎMBĂTRÂNIREA CELULARĂ -ganismele vii, de la Îmbătrânirea este rezultatul modificărilor contin ue acumulate în or -ganismele naştere până la moarte. Odată cu înaintarea în vârstă se produc o serie de modificări morfologice şi funcţionale, iar alterările celulare reprezintă o componentă importantă a îmbătrânirii organismului. O serie de funcţii celulare suferă un declin progresiv, odată cu înaintarea în vârstă. Fosforilarea oxidativă la nivelul mitocondriei se reduce, ca şi sinteza proteinelor structurale şi a enzimelor, sau a receptorilor celulari.
Celulele senescente au o scăzută capacitate de a prelua nutrienţi, sau de a repara defectele cromozomiale.
Fiecare celulă îmbătrâneşte specific, printr -un mecanism mai mult sau mai puţin diferit de acela al altor tipuri celulare. Astfel, în cazul celulelor diferenţiate şi care mai au capacitate de diviziune, se consideră că în cursul vieţii lor, acestea sunt capabile de un număr precis de diviziuni programate genetic. Pentru acest tip de celule, îmbătrânirea înseamnă în primul rând scăderea sau chiar oprirea procesului de diviziune. Pentru celulele care nu se divid (neuroni, celule musculare cardiace) îmbătrânirea înseamnă acumularea de macromolecule cu proprietăţi diferite faţă de cele specifice acestor celule, sau acumularea de substanţe nedegradabile nedegradabile în citoplasma lor, paralel cu scă -derea capacităţ ii metabolice. În procesul de îmbătrânire celulară apar o serie de modificări morfolo gice ale celulelor, cum sunt: scaderea volumului celulei, scaderea volumului nucleului, scaderea raportului nucleu/citoplasmă, nucleu/citoplasmă, scaderea raportului nucleu/nucleol, scaderea ratei diviziunilor, hipercromia nucleului, nuclei neregulaţi şi anormal lobaţi, modificarea bazofiliei citoplasmei, mitocondrii vacuolate, reducerea reticulului endoplasmic şi a complexului Golgi, acumularea de reziduuri nemetabolizabile în lizozomii terţiari, acumularea de lipofuscină, un produs de peroxidare a lipidelor, vacuolizarea citoplasmei.
Ipoteze privind privind îmbătrânirea celulară celulară În procesul de îmbătrânire celulară sunt incriminate unele defecte genetice induse de scurtarea telomerelor cromozomilor. Telomerele sunt impor tante tante în stabilizarea porţiunii terminale a cromozomilor şi ancorarea lor la matricea nucleară. Pierderea ADN din porţiunea terminală a cromozomilor, cu scurtarea telomerelor, va determina deleţia unor gene esenţiale cu scăderea duratei de viaţă a celulelor. 91
Se cunosc şi unele defecte dobândite în c elulele senescente. O teorie favorită invocă efectul progresiv al radicalilor liberi, datorat repetatei expuneri la radiaţiile ionizante din mediu sau prin reducerea progresivă a mecan ismelor defensive antioxidante (ex. (ex. vitamina E, glutation peroxidaza), sau prin ambele mecanisme.
Radicalii liberi determină afectarea acizilor nucleici, estimându -se că speciile de oxigen sunt responsabile pentru 10.000 modificări ale ADN per celulă, pe z i. Nu doar ADN nuclear, ci şi cel mitocondrial va suferi mutaţii şi deleţii, care cresc dramatic cu vârsta. Radicalii liberi de oxigen catalizează de asemenea modificările oxida -tive ale proteinelor, incluzând enzimele, favorizând degradarea lor de către proteazele citosolice neutre sau alcaline, afectând funcţiile celulare. Modificările posttranslaţionale a proteinelor intracelulare şi extrace -lulare, care se cunoaşte că survin cu vârsta, determină modificări morfo -funcţionale ale celulelor senescente. senescente. O modificare care reţine atenţia este glicozilarea non -enzimatică a pro-teinelor, care conduce la glicozilare avansată şi la apariţia de produşi capa - bili bili să se lege de proteinele adiacente.
APOPTOZA
După 1980 s-a elaborat, în diferite variante, teoria morţii programate a celulelor, conform căreia fiecare tip de celulă are înscrisă în programul său genetic o anumită perioadă de viaţă, după ca re celula moare. Moartea celulară programată poartă numele de apoptoză. Apoptoza este o formă naturală de moarte celulară, care se produce în procesele de dezvoltare a ţesuturilor şi organelor Apoptoza este responsabilă pentru numeroase evenimente fiziologice şi patologice, dintre care amintim: distrugerea programată a celulelor în cursul embriogenezei; involuţia hormon dependentă la adult ( ex. ex. distrugerea celulelor endo-metrului în timpul ciclului menstrual, atrezia foliculilor ovarieni la meno pauză, regresia glandei
mamare după lactaţie); eliminarea celulelor în proliferarea populaţiilor celulare;
moartea: celulelor tumorale; celulelor imune, a limfocitelor T şi B, după depleţia celulelor T autoreactive în timpul dezvoltării timusului;
limfochinelor; eliminarea
atrofia patologică a: ţesuturilor hormono-dependente (ex. (ex. prostata după castrare, scă -derea limfocitelor din timus după administrarea de glu cocorticoizi); organelor parenchimatoase după obstrucţia ductelor ( ex. tiroidă, pancreas, rinichi); lezarea celulelor în unele boli virale ( ex. hepatita virală, în care la ni -velul ficatului
apar corpii apoptoici Councilman);
moartea celulară produsă de stimuli capabili să producă necroză ( ex. radiaţii, medicamente, medicamente, hipoxia) dar care dacă acţionează în doză redusă determină apoptoză. 92
Modificările morfologice ale celulelor în apoptoză sunt următoarele: ular , citoplasma devine densă, iar organitele re lativ normale scăderea scăderea volumului cel ular apar îngrămădite; condensarea cromatinei este cromatinei este cea mai caracteristică trăsătură a apop -tozei, agregate de cromatină apar dispus e periferic sub membrana nucleară; nucleul se poate fragmenta; formarea corpilor apoptoici, iniţial pe suprafaţa celulei se observă invaginări, se vor forma vezicule, apoi celula se fragmentează, rezul -tând numeroşi corpi apoptoici delimitaţi de membrane, care conţin citoplasmă, organite strâns împachetate, cu sau fără fragmente nu-cleare; fagocitarea celulelor sau corpilor apoptoici de către macrofage şi vor fi rapid
degradate la nivelul lizozomilor secundari. În coloraţia cu hematoxilină-eozină, celulele intens eozinofile, cu fragmente de cromatină dense.
apoptoice apar rotunde sau ovalare,
MECANISMELE MECANISMELE APOPTOZEI
Există mai multe mecanisme diferite prin care se produce sinuciderea celulelor prin apoptoză: unul este generat de semnale ce provin din interiorul celulei; altul este declanşat de activatori ai morţii celulare care se leagă la suprafaţa celulară cum sunt factorul de necroză tumoral α (TNF-α), limfotoxina, ligandul Fas (FasL); un altul este declan şat de speciile reactive de oxigen.
este calea intrinsecă sau mitocondrială . La celulele sănătoase, pe membrana externă a mitocondriilor este exprimată proteina Bcl -2, care este legată de o proteină Apaf -1. -1. Afectarea internă a celulei ( ex. ex. prin speciile reactive de oxigen) va cauza desprinderea Apaf-1 de Bcl-2. O proteină înrudită, numită Bax, va penetra membranele mitocondriale, determinând eliberarea c itocromului-c. Acesta şi protei na Apaf-1 1. Apoptoza declanşată de semnale interne
se vor lega la moleculele de caspase 9. Va rezulta un complex constituit din citocromul c, Apaf-1, caspasa 9 şi A TP, numit apoptosome, apoptosome, a- gregat în citosol. Caspasa 9 face parte dintr -o
familie de caspase, toate fiind proteaze. Caspasa 9 va activa alte caspase. Această Această capacitate a caspaselor de a activa alte caspase va produce o activitate proteolitică în cascadă, ca re va determina digestia proteinelor structurale din citoplasmă, degradarea ADN şi în final fagocitarea celulei.
este numită şi calea extrinsecă. Receptorii domeniu receptor se află la exteriorul Fas şi TNF sunt proteine membranare integrale, al căror do membranei celulare. Legarea activatorilor complementari ai apoptozei, ligandul Fas şi TNF, determină transmiterea semnalului la citoplasmă şi va determina activarea caspasei 8, care ca şi caspasa 9 va iniţia o activare în cascadă a caspaselor care în final va duce la distrugerea şi 2. Apoptoza declanşată de semnale externe
fagocitarea celulei.
3. Apoptoza declanşată de factorul de inducere a apoptozei (AIF). Neuronii şi probabil şi alte celule au o altă cale cale de sinucidere, care spre deosebire de cele două pr ecedente nu utilizează caspasele. caspasele. 93
mal este este o proteină care în mod nor mal localizată în spaţiul intermembranar al mitocondriei. Când celula va primi mesajul că este momentul sinuciderii, AIF va fi eliberat de către mi tocondrie, va pătrunde în nucleu, se va lega la ADN, va fi declanşată distru -gerea ADN urmată de moartea celulară. Factorul de inducere a apoptozei (AIF)
Apoptoza şi cancerul cancerul Unele virusuri care cauzează cancere utilizează mijloace care previn a -poptoza celulelor transformate. Unele papiloma virusuri sunt implicate în producerea cancerului cancerului de col uterin. Unele dintre ele produc proteina E6 care leagă şi apoi inactivează un promotor al apoptozei, numit p53. Virusul Epstein- Barr, cauza mononucleozei şi a limfomului Bu rkitt, produce o pro-teină similară Bcl -2, sau produce alte proteine care cresc producţia celulară de Bcl-2. Aceste acţiuni vor face ca celulele să fie mai rezistente la apoptoză, iar celulele canceroase vor putea prolifera.
Chiar şi celulele canceroase care apar fără implicarea virusurilor au căi prin care evită apoptoza.
În unele leucemii şi limfoame celulele B prezintă un nivel crescut de Bcl -2, care blochează semnalele ce induc apoptoza. Celulele neoplazice ale melanoamelor evită apoptoza, prin inhibarea expreziei genei proteinei Apaf-1. Unele celule neoplazice, din cancerul pulmonar şi din
cancerul de colon, secretă la un nivel crescut unele molecule care leagă FasL, ce determină blocarea legării acestuia la Fas. Astfel, celulele T citotoxice nu vor putea distruge dis truge celulele maligne.
Alte celule canceroase au o expresie crescută a Fasl şi pot distruge orice celulă T citotoxică care va încerca să le omoare. Apoptoza în SIDA SIDA Caracteristic pentru pacienţii cu SIDA este declinul numărului de celule T CD4+ responsabile direct sau indir ect ect pentru răspunsul imun. Când numărul lor scade în jur de 200/µl, pacientul nu va mai avea un răspuns imun eficient, cu producerea unor infecţii periculoase.
Apoptoza este cea care cauzează dispariţia celulelor T CD4 +. Virusul HIV invadează celulele T CD4+ ceea ce va determina distrugerea acestora. Dar mai puţin de 1 din 100.000 de celule T CD4+ din sângele pacienţilor cu SIDA sunt infectate cu virusul HIV. Apop toza este cea care omoară şi ce lulele CD4+ neinfectate. Deşi mecanismele apotozei în această situaţie nu sunt clare, există mai multe posibilităţi. Toate celulele T, atât cele infectate cât şi cele neinfectate au crescută expresia Fas. Expresia genei HIV, numită Nef în celulele infectate va cauza creşterea expresiei FsaL pe suprafaţa lor şi va fi prevenită interacţiunea cu Fas care să cauzeze distrugerea.
Pe de altă parte, când o celulă T infectată va întâlni una neinfectată ( ex. în ganglionii limfatici) interacţiunea FasL cu F as la nivelul celulelor neinfectate va determina moartea acestora prin apo ptoză. Apoptoza în transplantul transplantul de organe organe Se cunoaşte de mult timp că unele părţi ale corpului, cum sunt camera anterioară a ochiului sau testiculul, sunt locuri privilegiate imunologic. An tigenele din aceste spaţii nu reuşesc să inducă un răspuns imun. Celulele din aceste locuri diferă de celulele din alte zone 94
ale
corpului prin faptul că un nivel crescut al expresiei FasL tot timpul. Astfel, celulele T antigen reactive care au expresie crescută a Fas vor fi omorâte când ajung în aceste spaţii. În acest mod ar fi posibilă o nouă cale de prevenire a rejecţiei. Dacă la unele celule ale rinichilor, ficatului sau cordului tr ansplantat ansplantat ar creşte nivelul expresiei FasL, ar putea fi protejată rejecţia grefelor de atacul celulelor T ale imunităţii mediate celular. Cunoaşterea mecanismelor intime ale a cestui important proces de apoptoză ar deschide perspective pentru modularea lui. Modularea apoptozei ar putea servi pentru
inhibarea apoptozei în celulele normale şi inducerea ei în celulele tumorale. Clarificarea mecanismelor biochimice ale procesului de apoptoză ar putea schimba conceptul actual privind tratamentul bolilor în general general şi al neoplasmelor neoplasmelor în special.
95
