ceasul molecular al vietii 1

142
CEASUL MOLECULAR AL VIEŢII Suport de curs Lector dr. Diana Olimid

Upload: marcelcoroian

Post on 02-Jan-2016

392 views

Category:

Documents


6 download

TRANSCRIPT

Page 1: Ceasul Molecular Al Vietii 1

CEASUL MOLECULAR AL VIEŢII

Suport de curs

Lector dr. Diana Olimid

Page 2: Ceasul Molecular Al Vietii 1

TEORIA CELULARĂ

Entitatea primordială şi de bază la nivelul căreia se manifestă viaţa este celula. Nimeni nu mai poate infirma postulatul conform căruia celula reprezintă unitatea structurală şi funcţională de bază a materiei vii. Viaţa, sub forma în care se manifestă ea pe Pământ, nu există în afara celulei, indiferent dacă ne referim la un organism unicelular sau la om.

Etapele prebiotice de evoluţie ale materiei organicePrin metodele ştiinţei actuale (ipoteză-teorie-experiment), explicarea

originii vieţii a ajuns la un stadiu care poate fi considerat cel puţin plauzibil, deşi doar parţial verificat experimental. Conform acestui concept, se consideră că celulele vii au apărut pe Pământ prin agregarea spontană a moleculelor organice, acum aproximativ 3,5 miliarde de ani. După cunoştinţele actuale cu privire la celule şi la moleculele care intră în compoziţia lor, se presupune că a fost necesar ca materia nevie să parcurgă trei etape de evoluţie înainte de a apare primele celule:

(a) formarea polimerilor de ARN capabili de a-şi direcţiona propria replicare prin împerecherea bazelor azotate complementare;

(b) apariţia mecanismului prin care o moleculă de ARN poate direcţiona sinteza unei proteine specifice;

(c) formarea unei membrane lipidice care să izoleze mixtura autoreplicativă de ARN şi proteine.

Ulterior, în stadiile mai târzii ale proceselor evolutive, macromoleculele de ADN au înlocuit ARN-ul, devenind astfel materialul ereditar actual.

Sintezele prebioticeÎn trecutul geologic, când Pământul s-a răcit, la suprafaţa sa s-a format o

atmosferă, un înveliş de gaze, care s-a dispus în jurul materiei solide. În timpul răcirii, apa eliberată de pe suprafaţa fierbinte sub formă de vapori, s-a condensat, formând, prin ploi torenţiale care au durat milioane de ani, oceanele. Probabil că atmosfera primitivă nu conţinea deloc sau conţinea foarte puţin oxigen; oxigenul existent astăzi în atmosferă şi de care depinde întreaga viaţă actuală, a fost probabil produs de organismele fotosintetice care s-au dezvoltat, mult mai târziu.

Compoziţia atmosferei terestre primitive este o problemă de o foarte mare importanţă. Până acum 10-15 ani exista convingerea că atmosfera primitivă era foarte puternic reducătoare. Dacă gazele s-au eliberat de pe suprafaţa fierbinte a crustei terestre înainte ca fierul metalic să se fi separat de crusta terestră, atunci atmosfera ar fi trebuit să fie puternic reducătoare, conţinând cantităţi mari de H2, CH4 (metan), NH3, precum şi CO (monoxid de carbon). Dacă însă doar o cantitate mică de fier metalic a rămas la suprafaţă pentru a reacţiona cu aceste gaze, atunci atmosfera primitivă trebuie să fi fost formată din CO2, puţin CO şi, şi mai puţin, CH4 şi NH3. Majoritatea opiniilor actuale pledează pentru

2

Page 3: Ceasul Molecular Al Vietii 1

caracterul neutru al atmosferei primitive. Oricum, hidrogenul sulfurat a fost prezent în ambele cazuri. Sursele principale de energie care au putut produce modificările chimice ale gazelor atmosferice (sau ale gazelor dizolvate în apă), au fost radiaţiile solare şi descărcările electrice. Nu trebuie neglijat nici rolul activităţii vulcanice, intensă în acele timpuri. O importanţă deosebită se acordă în ultimul timp lifturilor oceanice, acestea fiind considerate ca principalele situsuri ale sintezei prebiotice a moleculelor organice. Existau abundent în aceste regiuni, sulfurile, fosforul şi catalizatorii minerali, iar NH3 şi CH4 s-au putut forma mult mai probabil la acest nivel, ceea ce a asigurat atomii necesari sintezelor organice precum şi energia necesară declanşării reacţiilor chimice.

Condiţiile prebiotice ale producerii de aminoacizi şi baze azotateAstăzi este clasică experienţa lui Stanley Miller, prin care acesta a

amestecat într-un sistem închis de recipiente, gazele hidrogen, metan şi amoniac (într-o rată de 1:2:2), precum şi apă. Mixtura de gaze, care a fost considerată ca simulând atmosfera primitivă terestră, a fost în mod continuu expusă la descărcări electrice, generate în sistemul experimental de doi electrozi de tungsten). Examinarea apei colectate din acest sistem a relevat că mai mult de 10% din carbonul provenit din metan a trecut în molecule organice cum sunt aminoacizii. Au fost identificate foarte clar glicina, alanina, acidul aspartic, valina şi leucina, în ambele forme, D şi L. S-au format de asemenea, acidul cianhidric, aldehide precum şi compuşi ciano. Aceşti compuşi au putut fi intermediari importanţi pentru formarea aminoacizilor şi bazelor azotate ale acizilor nucleici, în condiţii uşor reducătoare.

Şi alte condiţii de reacţie care ar mima condiţiile prebiotice pot genera produşi organici de interes biologic cum sunt aminoacizii si bazele azotate. De un interes special sunt experienţele prin care se arată că o serie de compuşi simpli (compuşi care să conţină carbon şi azot, precum şi H2S), generează în prezenţa razelor ultraviolete ca sursă de energie, aminoacizii glicina, alanina, seri na, acidul glutamic şi asparagina. Lumina UV a fost o sursă de energie mult mai abundentă decât descărcările electrice. HCN este reactiv în prezenţa luminii ultraviolete, generând, el singur, produşi de condensare cum ar fi purinele (baze azotate). Adenina, de exemplu, este un produs major al reacţiilor de sinteze prebiotice simulate. De asemenea, ATP-ul s-a putut forma în condiţii prebiotice în special în prezenţa unui compus mineral larg răspândit, apatita (fosfat de calciu). Pământul nu este singurul loc din sistemul solar unde s-au putut face sinteze organice prebiotice. Analiza meteoriţilor, mai ales a celor mari (cel căzut la Murchinson în Australia, în 1969) a relevat că ei conţin atât aminoacizi liberi ca cei utilizaţi de sistemele biologice actuale, precum şi aminoacizi nebiologici. Compuşi chimici ai carbonului şi ai azotului cu rol în sintezele prebiotice au fost identificaţi de asemenea, în aglomerările de gaze interstelare: ca exemplu cităm H2, HCN, cianoacetilena, CO, H2S, NH3 şi chiar molecule mai mari ca acetonitrilul sau acetaldehida.

3

Page 4: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Prezenţa acestor substanţe organice în mediile extraterestre sugerează că elementele de bază pentru moleculele organice cu importanţă biologică, sunt larg răspândite în natură şi s-au putut forma pe pământ acum câteva miliarde de ani pe cale nebiologică. Pentru că în acea perioadă nu exista oxigen liber şi nici metabolism celular, aceste molecule organice erau foarte stabile. Ca urmare, în oceane s-a putut acumula o cantitate considerabilă de reactanţi organici. „Supa organică” descrisă de Haldane şi Oparin a existat deci cu certitudine.

Apariţia moleculelor de ARNCel mai important aspect al chimiei prebiotice este de a înţelege cum s-au

format polimerii organici care stau la baza vieţii actuale. Este încă greu de înţeles cum au fost asamblaţi polimerii, cu atât mai puţin polimerii complecşi biologici. Încercările de a produce polipeptide din aminoacizi activaţi, au dus la obţinerea unor peptide mici cu aranjamente întâmplătoare de aminoacizi. Sinteza peptidelor poate avea loc totuşi mai uşor, dacă de exemplu, mixturile de aminoacizi sunt încălzite până la uscare, în special în prezenţa unor minerale alcaline.

La sfârşitul anilor ’60, când a fost descoperit codul genetic universal, precum şi mecanismul transcripţiei şi translaţiei sale, Leslie Orgel, Francis Crick şi Carl Woese, au propus, separat unul de altul, că probabil, ARN a precedat în evoluţie apariţia ADN, în primul rând din cauza că ARN are un rol triplu în asamblarea ordonată a polipeptidelor. Deoarece ARN se poate replica prin copierea unui lanţ complementar, este foarte probabil ca să fi fost primul polimer sintetizat pe cale abiotică. Recentele descoperiri vin să întărească aceste supoziţii. ARN-cataliza, cum ar fi autofragmentarea, autoprocesarea („self-splicing”) şi autoelongaţia şi ligaturarea moleculelor, vin în sprijinul acestei teorii. Descoperirile recente au demonstrat rolul ARN-ului în multe alte procese în afară de capacitatea de a acţiona autocatalitic asupra lui însăşi şi de a participa la structurarea particulelor mici ribonucleoproteice (snRNP) care au rol esenţial în procesarea moleculelor de ARN. Astfel, ARN serveşte ca primer în sinteza de ADN, o moleculă de ARN este necesară pentru structurarea telomerazei pentru adăugarea ADN la capătul cromozomilor eucariotici, ARN 7S este o componentă a aparatului de secreţie proteică, un ARN mic este parte componentă a structurii de asamblare pentru bacteriofagul 29, şi, în fine, au fost identificate o serie de mici molecule de ARN ale căror funcţii nu sunt încă cunoscute. Datorită acestor funcţii multiple şi extrem de complexe, teoria privind importanţa ARN în chimia prebiotică a devenit astăzi foarte plauzibilă.

Spre deosebire de ARN, moleculele de ADN sunt mult mai puţin flexibile, iar dezoxiribonucleotidele sunt de fapt derivate din ribonucleotide. În plus, revers-transcriptaza este o enzimă care determină copierea ARN în ADN, ea existând nu numai la retrovirusuri la care a fost descoperită, ci virtual la toate eucariotele, şi chiar şi la bacterii.

4

Page 5: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Astăzi exista un larg consens privind importanţa ARN în evoluţia timpurie a vieţii, deşi este încă greu de înţeles cum s-a făcut conexiunea dintre secvenţa bazelor azotate ale ARN şi secvenţa de aminoacizi din structura proteinelor.

Apariţia sistemului genetic precelularMoleculele organice simple ca aminoacizii şi nucleotidele se pot asocia

pentru a forma polimeri. Un aminoacid se leagă de altul prin intermediul unei legături peptidice, iar nucleotidele se leagă prin formarea legăturilor fosfodiesterice. Asemenea reacţii repetate duc la formarea unor polimeri mari cunoscuţi sub denumirea de polipeptide şi polinucleotide. În celulele actuale, polipeptidele numite proteine şi polinucleotidele numite acizi nucleici (ARN-acid ribonucleic şi ADN-acid dezoxiribonucleic), sunt cei mai importanţi constituenţi. Proteinele sunt formate dintr-un număr limitat de 20 de tipuri de aminoacizi, iar acizii nucleici, din doar patru tipuri de nucleotide. Cum a fost posibil ca acest set particular de monomeri să fie selectat pentru biosintezele celulare şi nu un altul, oricum foarte asemănător din punct de vedere chimic, nu se poate explica!

Sinteza polinucleotidelorPrimii polimeri s-au putut forma pe mai multe căi, de exemplu, prin

încălzirea compuşilor organici uscaţi în prezenţa acţiunii catalitice a polifosfaţilor anorganici aflaţi în concentraţii mari. Produşii unor asemenea reacţii simulate în eprubetă sunt reprezentaţi de polimeri de diferite lungimi şi cu o secvenţă întâmplătoare, polimeri la care aminoacizii sau nucleotidele se dispun în poziţii diferite în funcţie de şansă.

Un polimer odată format este capabil să influenţeze formarea unui alt polimer. În particular, polinucleotidele sunt capabile să determine secvenţa de nucleotide a unor noi polimeri, acţionând ca matriţă pentru reacţiile de polimerizare. De exemplu, un polimer format dintr-un singur tip de nucleotide (acidul poliuridilic sau poliU), poate servi ca matriţă, pentru sinteza unui al doilea polimer, format dintr-un alt tip de nucleotide (acidul poliadenilic sau poliA). Aceasta copiere este determinată de faptul că un polimer se leagă preferenţial de un altul. Prin alinierea subunităţilor necesare pentru poliA de-a lungul suprafeţei polimerului poliU, acesta din urmă determină formarea polimerului de poliA.

Împerecherea specifică între nucleotidele perechi a jucat probabil, un rol crucial în originea vieţii. Să considerăm, de exemplu, un poli-nucleotid cum este ARN, format dintr-un şir de patru nucleotide reprezentate de bazele uracil (U), adenină (A), citozină (C) şi guanină (G). Datorită complementarităţii dintre A şi U, şi respectiv între G şi C, atunci când o moleculă de ARN este adăugată peste o mixtură de nucleotide activate în condiţiile care favorizează polimerizarea, se produc noi molecule de ARN în care secvenţa de nucleotide este

5

Page 6: Ceasul Molecular Al Vietii 1

complementară celei dintâi. Aceasta însemnă că moleculele noi nu sunt similare cu cele care au constituit matriţa, ci la fiecare A corespunde U etc. Astfel, secvenţa nucleotidelor din molecula de ARN de origine (matriţa), care conţine o informaţie, este reprodusă într-un lanţ complementar nou format. În a doua rundă de copiere, cu lanţul complementar ca matriţă, se restaurează secvenţa iniţială.

Asemenea mecanisme de copiere complementară sunt foarte simple şi reprezintă esenţa proceselor de transfer al informaţiei în sistemele biologice. Informaţia genetică conţinută în fiecare celulă este codificată într-o secvenţă de nucleotide şi această informaţie este transmisă (moştenită) de la o generaţie la alta pe baza interacţiilor de complementaritate dintre baze.

Formarea rapidă a polinucleotidelor în eprubetă necesită însă, prezenţa unor catalizatori proteici specifici, enzime, care nu au putut fi prezente în mediul prebiotic al oceanului primar, lotuşi, au putut fi prezenţi alţi catalizatori, cum ar fi mineralele sau ionii de metale, ce-i drept mai puţin eficienţi, aceasta necesitând un timp mai îndelungat de reacţie. Dar, cum timp a fost destul (este vorba de sute de milioane de ani), iar sursa de precursori, de nucleotide reactive era abundentă, este posibil ca sistemele de replicare lentă a polinucleotidelor să se fi stabilizat în condiţiile prebiotice ale pământului.

Selecţia naturală a moleculelor autoreplicativeÎn condiţii favorabile, o moleculă polinucleotidică aflată într-un mediu

bogat în nucleotide („supa organică” a oceanului primar), este capabilă de a se multiplica, fiecare copie a originalului servind ca tipar pentru alte copii noi. În acest proces pot apare însă, în mod inevitabil, o serie de erori de copiere, mai ales în asemenea condiţii primordiale. Copiile noi şi imperfecte ale originalului pot fi propagate. Astfel, în timp, secvenţa de nucleotide a unei molecule polinucleotidice originare, se poate schimba.

Polinucleotidele nu sunt însă un simplu şir de simboluri care poartă o informaţie la modul abstract. Ele au o „personalitate” chimică ce le afectează evoluţia viitoare. O secvenţă specifică de nucleotide guvernează şi proprietăţile întregii molecule, în special modul de împachetare al ei. La fel cum nucleotidele se împerechează cu nucleotidele complementare ale unui alt lanţ polinucleotidic, tot aşa ele se pot împerechea şi în interiorul aceleiaşi molecule. Asemenea asociaţii produc împachetări tridimensionale, astfel că o moleculă are o anumită conformaţie spaţială care depinde exclusiv de secvenţa sa de nucleotide.

Structura tridimensională a unei polinucleotide afectează atât stabilitatea cât şi abilitatea de replicare, astfel că nu toate moleculele au aceeaşi eficienţă într-o mixtură replicativă. Unele pot fi atât de puternic împachetate încât nu pot servi ca matriţă. Altele pot fi foarte instabile în condiţiile date. Concret, s-a demonstrat în experienţe de laborator că sistemele replicative de molecule de

6

Page 7: Ceasul Molecular Al Vietii 1

ARN suferă un fel de selecţie naturală, astfel că unele secvenţe favorabile pot predomina în funcţie de anumite condiţii date.

Un polinucleotid cum este molecula de ARN, are, ca urmare a acestui fapt, două caracteristici importante: (1) ea poartă o informaţie codificată în secvenţa de nucleotide care este transmisă prin procesul de replicare; (2) ea are o structură tridimensională unică, ceea ce determină modul în care va funcţiona şi va răspunde la condiţiile externe. Aceste două însuşiri, una informaţională şi una funcţională, reprezintă cele două condiţii esenţiale necesare desfăşurării evoluţiei.

Secvenţa de nucleotide a unui ARN este analoagă cu informaţia ereditară, genotipul unui organism; structura tridimensională este analoagă cu fenotipul, adică expresia informaţiei ereditare asupra căreia operează selecţia naturală.

Transferul informaţiei de la ARN la proteineCu toate că structura polinucleotidelor este foarte potrivită pentru stocarea

informaţiei şi pentru replicare, aceste molecule nu sunt suficient de variate pentru a asigura structurarea şi funcţionalitatea unei celule vii. Pe de altă parte, polipeptidele compuse din diferiţi aminoacizi si având diverse conformaţii tridimensionale oferă domenii moleculare cu situsuri reactive, fiind astfel ideale pentru a îndeplini un rol structural şi funcţional biochimic.

Polimerii produşi întâmplător din aminoacizii proveniţi din sintezele prebiotice, se presupune că ar fi avut proprietăţi catalitice dintre care unele ar fi determinat creşterea vitezei replicării ARN. Unele clase de polipeptide ar fi devenit astfel, extrem de utilizate de către sistemele replicative. Polinucleotidele care au contribuit la ghidarea sintezei unor asemenea polipeptide au dobândit un enorm avantaj evolutiv.

Dar cum pot polinucleotidele să exercite un asemenea control? Cum se poate ca informaţia codificată în secvenţa lor să specifice secvenţa unui polimer de alt tip? La organismele actuale, ARN direcţionează sinteza polipeptidelor, proces numit sinteza proteinelor, printr-un mecanism care presupune o maşinărie biochimică elaborată remarcabil. Cum a apărut un asemenea mecanism în evoluţie, este un adevărat mister. Oricum, asemenea interacţiuni ar fi trebuit să duca la apariţia codului genetic şi a principiilor translaţiei.

Deoarece nu există vreo afinitate chimică între un aminoacid şi un codon format din trei baze azotate, este astăzi clar că determinarea codului genetic nu a fost un eveniment foarte simplu. Codul genetic este astăzi cunoscut în cel mai mic amănunt. Cei mai hidrofobi aminoacizi (fenilalanina, leucina, izoleucina, valina şi metionina) au ca principal reprezentant în codonul care îi specifică, baza azotată U (uracilul) situată în poziţie centrală, iar aminoacizii hidrofili (acidul glutamic, acidul aspartic, lizina, asparagina, glutamina, histidina şi tirozina) au adenina (A) în poziţie centrală. În plus, codonii cu C (citozina) în poziţie centrală codifică mai ales aminoacizii hidrofobi, faţă de setul de codoni

7

Page 8: Ceasul Molecular Al Vietii 1

cu G în poziţie centrală. Astfel, codificarea primitivă ar fi putut fi mai simplă, specificând aminoacizii hidrofili, respectiv hidrofobi.

O altă proprietate a codului genetic constă în faptul că, pentru codificare, cele mai importante baze azotate ale unui triplet sunt primele două; cei 64 de codoni codifică doar 20 de aminoacizi în aşa fel încât mai mulţi codoni corespund unui singur aminoacid. Aceşti codoni au ca şi caracter comun primele două nucleotide, cea de-a treia fiind componenta variabilă. Probabil, aparatul de translaţie originar a utilizat, doar primele două baze dintr-un codon.

Nu există teorii plauzibile care să explice care codoni ar fi fost adoptaţi iniţial. Se presupune că la început, moleculele de ARN oligomeric produs neenzimatic, ar fi fost cel mai probabil formate dintr-o alternanţă de baze purinice şi pirimidinice. Aceasta a generat codoni de tipul purină-pirimidină-purină şi respectiv, pirimidină-purină-pirimidină. Codonii cu pirimidinele ca bază centrală, codifică aminoacizii mai hidrofobi, iar cei cu purinele în poziţie centrală codifică aminoacizii hidrofili. Astfel, ribopolimerii alternativi au putut codifica peptide parţial ordonate. Asemenea peptide alternante, formate din lizină şi valină se agregă în structuri sub forma de pachete β cu o faţă hidrofobă şi una hidrofilă (unele proteine actuale simple cum este fibroina, au o asemenea structură).

Speculaţiile ca cele de mai sus nu pot, bineînţeles, să explice clar cum a putut să apară procesul de translaţie, dar pot să sugereze că apariţia unor proteine doar cu puţin mai ordonate în structură, a constituit un enorm avantaj selectiv.

Apariţia primelor celulePosibila desfăşurare a evoluţiei timpurii a cuprins mai multe etape

principale. Era prebiotică s-a terminat în momentul în care a apărut un sistem genetic codificat de ARN, sistem capabil să asigure transcripţia şi translaţia primitivă, înainte de apariţia proteinelor mari a existat o chimie de tip ARN-ARN în prezenţa peptidelor. Primul genom funcţional a fost ARN, în stadiul următor, de progenot, ARN a fost copiat în ADN, probabil conform unei versiuni timpurii a reverstranscripţiei. Progenotul este „prima celulă”.

Membranele lipidiceApariţia mecanismelor de sinteză a proteinelor şi controlul acestei sinteze

prin acizii nucleici a constituit fără dubii, unul din momentele cruciale care au determinat formarea primelor celule. Un alt moment este reprezentat de apariţia unei membrane delimitante externe. Dacă o variantă de ARN a devenit capabilă să determine sinteza unei enzime cu calităţi superioare, capabilă să asigure replicarea cu înaltă eficienţă a acestui ARN, aceasta nu ar fi putut contribui selectiv la perpetuarea acestei variante în competiţia cu celelalte. Selecţia moleculelor de ARN în ceea ce priveşte calitatea proteinelor pe care le codifică, s-a putut face doar în situaţia în care cele două categorii de molecule ar fi fost

8

Page 9: Ceasul Molecular Al Vietii 1

izolate într-un compartiment separat de celelalte molecule din mediu. Compartimentarea a putut fi realizată prin apariţia membranelor lipidice. Membranele plasmatice actuale sunt formate din fosfolipide şi proteine. La microscopul electronic, aceste membrane apar trilaminate datorită împachetării şi dispoziţiei particulare a lipidelor în bistrat. Membranele artificiale, care se prepară uşor în eprubetă din aceleaşi componente, prin agitarea fosfolipidelor în apă, au acelaşi aspect. În condiţii corespunzătoare, membranele artificiale formează vezicule cu diametrul de 1-10 µm. Cu toate că aceste vezicule sunt inerte, ca baloanele de săpun, este uşor sa ne imaginăm că prin încorporarea unei populaţii distincte de molecule, ele pot forma unităţi spaţiale izolate, care au posibilitatea unei evoluţii independente de alte vezicule.

S-a postulat că prima celulă a apărut în momentul în care moleculele fosfolipidice din „supa organică” a oceanului primar s-au asamblat spontan în asemenea structuri membranare care au inclus o mixtură de proteine şi ARN, cu proprietăţi replicative. Doar incluse într-un spaţiu delimitat de o membrană, moleculele de ARN au putut să evolueze nu doar pe baza structurii lor proprii, ci şi în funcţie de proteinele pe care erau capabile să le producă.

Cele mai simple celule actuale: MicoplasmeleSuccesiunea proceselor prezentate în secţiunile de mai sus este,

bineînţeles, speculativă; nu există fosile care să dovedească originea primelor celule. Totuşi, există dovezi destul de convingătoare bazate pe studii experimentale şi pe observarea organismelor actuale, că etapele principale ale evoluţiei celulei din materia nevie, sunt corecte. Este foarte probabil că sinteza prebiotică a moleculelor mici, autoreplicarea moleculelor de ARN şi ADN, translaţia secvenţelor de ARN în secvenţe de aminoacizi şi asamblarea moleculelor lipidice în structuri membranare pentru a separa diferite compartimente celulare, toate, au concurat la crearea condiţiilor care au generat prima celulă, acum 3,5 miliarde de ani în urmă.

Este foarte oportun să comparăm această „posibilă primă celulă” cu cele mai simple celule actuale, micoplasmele. Micoplasmele sunt organisme de tip bacterian care au o existenţă parazitară, fiind într-o strânsă asociere cu celulele animale sau vegetale. Au un diametru de aproximativ 0,3 µm şi conţin suficient acid nucleic pentru a direcţiona sinteza a aproximativ 750 de diferite molecule proteice, care pare a fi numărul minim de proteine necesare unei celule pentru a supravieţui.

Una din deosebirile esenţiale dintre prima celulă apărută, descrisă prezumptiv, şi micoplasme (sau orice alte celule actuale), este faptul că informaţia ereditară, în loc să fie stocată în ARN, este înscrisă în moleculele de ADN. În celulele actuale există ambele tipuri de polinucleotide, dar ele funcţionează în mod cooperativ, fiecare cu funcţiile sale. Pe lângă cele două clase de polinucleotide, micoplasmele conţin unele enzime, precum şi proteine structurale, unele în citoplasmă şi altele inserate în membrană.

9

Page 10: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Evoluţia celulelor de la procariote la eucarioteCele mai simple celule actuale sunt celulele procariote. Una din etapele

dramatice ale evoluţiei celulei a avut loc acum aproximativ 1,5 miliarde de ani şi ea a constat din tranziţia de la formele celulare mici, cu o structură internă relativ simplă, celule numite procariote şi care cuprind cele mai variate tipuri de bacterii, la celule mari, substanţial mai complexe, numite eucariote, care există astăzi la animalele superioare şi la plante.

Bacteriile sunt cele mai simple organisme existente în mediul natural actual. Ele sunt celule sferice sau alungite, având câţiva µm mărime. Frecvent prezintă un înveliş protector numit perete celular sau capsulă sub care se află membrana plasmatică. Membrana înconjoară un singur compartiment citoplasmatic în care se află ADN, ARN, proteine şi molecule mici. Citoplasma apare la microscopul electronic ca o matrice relativ omogenă. În condiţii de viaţă optime, o celulă bacteriană se divide odată la 20 de minute. Capacitatea de diviziune rapidă permite adaptarea promptă a populaţiilor bacteriene la schimbările din mediul ambiant. Astfel, în condiţii de laborator, bacteriile pot suferi mutaţii spontane şi selecţie naturală în ceea ce priveşte utilizarea diferitelor surse nutritive. În natură, bacteriile trăiesc într-o varietate enormă de nişe ecologice, aceasta corespunzând unei mari varietăţi biochimice. Există specii de bacterii care pot utiliza ca sursa de hrană, virtual orice tip de molecule organice: zaharuri, aminoacizi, grăsimi, hidrocarburi, polipeptide, polizaharide. Altele sunt capabile să obţină carbonul direct din CO2, iar azotul din N2. În ciuda simplităţii lor structurale, bacteriile sunt cele mai vechi organisme de pe pământ şi încă mai constituie cel mai abundent tip de celule.

Cum au evoluat reacţiile metabolice la aceste celule primitive? Reacţiile care au loc în celulele bacteriene sunt catalizate de sute de enzime care funcţionează în „reacţii în lanţ”, astfel că produsul unei reacţii devine substratul următoarei. La origini, când viaţa a apărut pe pământ, asemenea reacţii metabolice probabil că nu erau necesare. Celulele au putut supravieţui pe baza moleculelor existente în mediul lor reprezentat de „supa prebiotică”. Când aceste resurse naturale s-au epuizat, celulele care au „descoperit” cel mai mare număr de enzime necesare biosintezelor organice, au câştigat un serios avantaj evolutiv. În acest fel, conţinutul în enzime al unei celule a crescut continuu, generând căile metabolice complexe de astăzi.

O poziţie centrală în metabolismul tuturor celulelor îl ocupă reacţiile care implică glucidele fosforilate, dintre care cea mai frecventă este secvenţa de reacţii numită glicoliza. Prin acest lanţ de reacţii, glucoza este degradată în lipsa oxigenului, anaerob. Cea mai veche cale metabolică trebuia să fie anaerobă deoarece nu exista oxigen în atmosfera primară. Glicoliza există practic în orice celulă vie şi duce la formarea ATP, compus utilizat de toate celulele ca sursă de energie chimică cea mai la îndemână. La această serie de reacţii plasate central în cadrul metabolismului, sunt conectate sute de alte reacţii chimice. Unele

10

Page 11: Ceasul Molecular Al Vietii 1

dintre acestea sunt responsabile pentru sinteza moleculelor mici, altele sunt utilizate, în serie, pentru sinteza polimerilor mari specifici. Alte reacţii sunt utilizate pentru degradarea moleculelor complexe folosite ca substanţe nutritive.

Un avantaj evolutiv extraordinar l-a constituit dobândirea capacităţii celulelor primitive de a folosi ca sursă nutritivă directă, CO2 şi N2 din atmosfera primordială a pământului. Dar, cu toate că sunt foarte abundenţi, CO2 şi N2 sunt foarte stabili. Aceasta înseamnă că, pentru conversia lor în molecule organice, este necesară multă energie.

În cazul CO2, mecanismul care a rezolvat aceasta problemă a fost fotosinteza, în care energia solară captată, determină transformarea CO2 în compuşi organici. În acest proces, prin fotoliza apei se eliberează O2, care astfel a început să se acumuleze în atmosferă, ajungând astăzi să reprezinte 21% din total.

Deoarece O2 este un compus foarte reactiv, care poate reacţiona cu majoritatea constituenţilor citoplasmatici, la început a fost probabil toxic pentru organismele celulare primitive, cum se întâmplă astăzi cu bacteriile anaerobe. Totuşi, această reactivitate constituie o sursă de energie chimică, iar acest fapt a fost exploatat de celule în cursul evoluţiei. Astfel, prin utilizarea oxigenului, celulele au devenit capabile să oxideze mult mai complet moleculele nutritive. De exemplu, în prezenţa oxigenului, glucoza poate fi degradată complet, până la CO2 şi H2O, pe când în absenţa lui, glucoza este descompusă doar până la acid lactic sau etanol, care sunt produşii finali ai glicolizei anaerobe. Oxidarea aerobă a moleculelor nutritive este cunoscută sub denumirea de respiraţie.

Celulele eucarioteCe s-a întâmplat cu organismele anaerobe după ce oxigenul s-a acumulat

în atmosferă? Într-un mediu bogat în oxigen, pe care nu-1 puteau utiliza, ele s-au aflat într-un sever dezavantaj. Unele din aceste celule au supravieţuit totuşi; ori au dobândit capacitatea de a respira (de a utiliza oxigenul), ori s-au retras în nişe ecologice în care oxigenul era absolut absent în care şi-au continuat modul de viaţă anaerob.

Se presupune ca a mai existat un al treilea grup de celule anaerobe care au descoperit o strategie mult mai ingenioasă de a supravieţui şi care a avut mari implicaţii pentru dezvoltarea ulterioară a vieţii. Aceste celule anaerobe au intrat în asociere intimă cu un tip celular aerob, trăind cu acestea în simbioză. Aceasta este cea mai plauzibilă explicaţie pentru originea celulelor actuale de tip eucariot.

Prin definiţie, şi în contrast cu celulele procariote, eucariotele au un nucleu care conţine aproape tot ADN-ul celular, învelit fiind de o membrană dublă. În citoplasmă au loc majoritatea reacţiilor metabolice şi tot aici se pot distinge o serie de organite celulare. Cu totul deosebite sunt mitocondriile. Acestea sunt învelite de o membrană dublă şi au o compoziţie chimică diferită de a nucleului. Se presupune că mitocondriile sunt de origine bacteriană.

11

Page 12: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Mitocondriile prezintă o serie de similarităţi cu celulele procariote: au o mărime şi aspect similar cu al bacteriilor, conţin ADN de tip bacterian, se divid prin diviziune binară, ca bacteriile.

Prin cercetarea celulei eucariote s-a demonstrat că respiraţia oxidativă se desfăşoară doar în mitocondriile acestora. Fără mitocondrii, celulele animale devin celule anaerobe, putând folosi ca sursă de energie doar procesul ineficient şi primitiv al glicolizei.

Unele bacterii actuale sunt aerobe, deci respiră, iar mecanismul prin care fac aceasta este identic cu acela al mitocondriilor.

Se presupune că celulele eucariote sunt descendenţii unor celule anaerobe primitive, care au supravieţuit într-o lume care a devenit bogată în oxigen, pentru că au încorporat în interiorul lor o specie de bacterii aerobe. În loc de a le digera, ele le-au protejat, intrând în simbioză, folosindu-se astfel de capacitatea acestor bacterii aerobe de a consuma oxigen pentru a produce energie. Bineînţeles că nu se poate demonstra astăzi în mod absolut exact cum s-a produs acest fenomen.

Celulele eucariote au un volum mult mai mare decât celulele procariote (în jur de 1000 de ori mai mare), conţinând în mod proporţional, o cantitate mai mare de material celular; de exemplu, o celulă umană conţine de 800 de ori mai mult ADN decât o bacterie. Dar acest volum mare creează probleme! Deoarece materialele folosite pentru reacţiile biosintetice care au loc în interiorul celulei trebuiesc, în ultimă instanţă, să străbată membrana plasmatică şi deoarece, în plus, membrana însăşi este sediul multor reacţii importante, creşterea volumului celular impune şi creşterea suprafeţei celulare. Dar aceasta este o problemă de geometrie deoarece o creştere în volum, la cub, determină o creştere a suprafeţei la pătrat. Aceasta pare să fie cauza datorită căreia celula eucariotă, pentru a-şi asigura o suprafaţă corespunzătoare volumului său, şi-a suplimentat aria suprafeţei prin invaginaţii şi prelungiri, precum şi prin elemente membranare intracitoplasmatice.

Aceasta explică probabil, reţeaua complexă de membrane interne care constituie o caracteristică de bază a celulei eucariote.

Membranele învelesc nucleul şi mitocondriile. Ele formează un sistem labirintic numit reticul endoplasmic la nivelul căruia se sintetizează lipidele şi proteinele membranare precum si materialul destinat exportului celular. Membranele formează de asemenea saci turtiţi care intră în constituţia aparatului Golgi care este implicat în sinteza şi transportul variatelor molecule organice. Membranele mărginesc lizozomii în care sunt depozitate enzime necesare pentru digestia intracelulară fiind prevenită astfel acţiunea lor distructivă asupra acizilor nucleici şi a proteinelor celulare proprii. În acelaşi mod, membranele mărginesc peroxizomii în care are loc degradarea peroxizilor toxici. Toate aceste structuri mărginite de membrane corespund unor compartimente interne distincte din interiorul citoplasmei. Într-o celulă animală tipică, aceste compartimente ocupă cel puţin jumătate din volumul celular.

12

Page 13: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Restul citoplasmei, care include întotdeauna alte organite neînvelite de membrane, este denumit în mod uzual cu termenul de citosol.

Toate structurile membranare de mai sus se află în interiorul celulei. Cum pot ele rezolva problema pusă cu privire la asigurarea suprafeţei corespunzătoare volumului ei? Răspunsul depinde de interschimbul dintre compartimentele membranare interne şi membrana care mărgineşte exteriorul celulei. Aceasta se realizează prin endocitoză şi exocitoză, procese unice la celula eucariotă. Prin aceste procese, de intrare şi ieşire a materialelor din şi dinspre celulă către mediul în care ea se află, în care sunt implicate compartimentele membranare intracelulare, se realizează creşterea suprafeţei efective a celulei, suprafaţă necesară schimburilor de materie cu mediul extern.

13

Page 14: Ceasul Molecular Al Vietii 1

CELULA

COMPONENTELE STRUCTURALE ŞI ULTRASTRUCTURALE ALE CELULEI

Celula reprezintă unitatea structurală, funcţională şi genetica a tuturor organismelor animale şi vegetale. Ea reprezintă prima treaptă, mai complexă, de organizare a materiei vii. Poate exista singură sau asociată în grupuri specializate pe categorii de funcţii alcătuind diferite ţesuturi. La animalele cu organizare morfologică complexă, celulele sunt specializate structural şi funcţional pe tipuri celulare, astfel încât fiecare tip celular să îndeplinească o funcţie specifică cu maximum de eficienţă. Cu cât organizarea morfologică este mai complexă, cu atât tipurile celulare sunt mai numeroase şi mai variate. Indiferent de tipul celular căruia aparţin, toate celulele sunt alcătuite din 3 componente de bază: membrana, citoplasmă şi nucleul.

MEMBRANA CELULARĂOrganizarea ultrastructurală şi moleculară a membranei celulareMembrana este dispusă la limita de separare cu mediul ambiant,

delimitând conţinutul celular (citoplasmă şi nucleul) de mediul extracelular.Fiind foarte subţire (de ordinul nanometrilor) la microscopul optic

membrana celulară apare doar ca o interferenţă între mediul intracelular şi extracelular; este vizibilă la microscopul electronic. În alcătuirea membranei celulare se disting trei părţi componente:

- plasmalema - membrana propriu-zisă;- glicolema (glicocalixul) - învelişul dulce al celulei;- citoscheletul membranar.Plasmalema. Examinată în microscopia electronică la o rezoluţie mică, de

aproximativ 10.000 x, apare ca o linie unică electronodensă; la o mărire de peste 100.000 x, apare cu structură caracteristică trilaminară. Structura trilaminară a membranei plasmatice poate fi observată pe electronofotografii. Se disting cele două straturi electronodense care în conformitate cu modelul de organizare moleculară „în mozaic fluid” a lui Singer şi Nicolson, corespund grupărilor polare, hidrofile ale bistratului lipidic şi proteinelor periferice. Cele două straturi electronodense sunt separate de un strat electronoclar dat de grupările hidrofobe (radicalii de acizi graşi) ale bistratului lipidic. Din loc în loc stratul electronoclar este traversat de punţi electronodense ce reprezintă proteinele transmembranare. În conceptul lui Robertson aceasta reprezintă plasmalema sau membrana propriu-zisă, având o grosime de 7,5 nm (2 nm straturile electronodense şi 3,5 nm stratul electronoclar). Este considerată membrana etalon sau unitatea de membrană („unit membrane”) şi reprezintă structura de bază a membranelor biologice (citomembrane) care delimitează diferitele compartimente celulare. Membrana propriu-zisă este însoţită pe faţa externă de glicolema (glicocalix), iar pe faţa citoplasmatică, de citoscheletul membranar.

14

Page 15: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Glicolema, parte integrantă a membranei celulare, este constituită din lanţuri oligozaharidice, care stabilesc legături indisolubile cu proteinele şi lipidele membranare formând glicoproteine şi glicolipide. Lanţurile oligozaharidice sunt formate din molecule de monozaharide reprezentate de hexoze (galactoză, manoză, fucoză, glucoză) şi hexozamine (N-acetilgalactozamina, N-acetilglucozamina, acidul sialic).

Ultrastructural, glicolema apare ca un strat filamentos, pufos; filamentele având grosimi şi lungimi diferite (2-5 nm grosime, până la 50 nm lungime). Filamentele simple sau ramificate, sunt dispuse perpendicular pe suprafaţa plasmalemei. La majoritatea tipurilor celulare nu se poate stabili o delimitare precisă între componentele glicolemei şi componentele matricei extracelulare (glicoproteine, proteoglicani) cu care interacţionează.

Glicolema, prezentă la toate celulele, are o grosime variabilă în raport cu specia şi tipul celular. Este bine reprezentată la celulele endoteliilor vasculare, la ovocite, la enterocite.

Glicolema asigură un micromediu pentru celulă. Fiind o structură cu caracter slab acid, are afinitate pentru diferiţi cationi (Na+ K+ Ca++) implicaţi în diferite funcţii membranare. Conţine numeroşi şi variaţi receptori cu rol în adezivitatea celulară, permeabilitatea selectivă, imunitate.

Citoscheletul membranar este alcătuit din proteine extrinseci ca: spectrina, ankirina, citokeratina, α-actinina, miozina, trompomiozina, proteine filamentoase care formează reţele fibrilare, cu rol în stabilizarea infrastructurilor membranare. Asigură rezistenţă, elasticitate şi supleţe membranei celulare. Se continuă cu ectoplasma - zona periferică a citoplasmei lipsită de organite, implicată în mişcările locale ale suprafeţei celulare.

Funcţiile membranei celulareFuncţiile membranei celulare decurg din structura sa lipoproteică ce-i

conferă o permeabilitate selectivă. Membrana celulară permite difuzarea şi transportul substanţelor şi asigură prin receptorii săi integrarea populaţiilor celulare în activitatea întregului organism.

Bistratul lipidic funcţionează ca o barieră în difuziunea apei şi a moleculelor hidrosolubile, în timp ce 02, C02 şi moleculele liposolubile trec cu uşurinţă.

Proteinele integrate în bistratul lipidic permit o permeabilitate selectivă moleculelor hidrofile.

Proteinele integrate ale membranei celulare pot constitui:- canale ionice prin care se realizează difuziunea pasivă a unor ioni în

sensul gradientului de concentraţie;- pompe ionice care concentrează preferenţial anumiţi ioni în citosol (ex.

K+) şi expulzează în mediul extracelular alţi ioni (ex. Na+Ca2+) menţinând scăzută concentraţia lor în citosol;

15

Page 16: Ceasul Molecular Al Vietii 1

- transportori specifici pentru anumiţi metaboliţi ca: aminoacizi, monozaharide, asigurând transportul activ al acestora împotriva gradientului de concentraţie.

Transportul activ şi pompele ionice funcţionează cu energie provenită prin hidroliza ATP-ului, sub acţiunea ATP-azei. ATP-aza de transport este o enzimă comună tuturor membranelor celulare, dar concentraţia ei variază cu tipul celular; se află în concentraţie foarte mare la celulele specializate în transportul activ (ex. nefrocite, enterocite). Pompele de ioni reglează volumul celular, controlează homeostazia şi menţin potenţialul membranar de repaus, caz în care membrana celulară este încărcată pozitiv pe faţa externă şi negativ pe faţa internă.

Integrarea populaţiilor celulare în activitatea întregului organism, precum şi funcţia de apărare o organismului sunt posibile deoarece membrana celulară prezintă la nivelul învelişului glucidic de suprafaţă molecule specifice cu funcţie de receptori membranari (receptori celulari de suprafaţă sau situsuri complementare de legătură sterică). Receptorii membranari sunt diferiţi în funcţie de tipul celular. Ei au capacitatea de a fi contactaţi de alte molecule din mediul extracelular, care au complementaritate sterică, numite în termeni generali mesageri sau liganzi.

Receptorii membranari pot fi clasificaţi în:a) receptori pentru molecule tip ligand de natură exogenă între care se

pot menţiona: microorganisme (virusuri, bacterii), toxine, antigene non-self, droguri, etc;

b) receptori pentru molecule tip ligand de natură endogenă cum sunt de exemplu: antigene-self, hormoni, neurotrasmiţători, imunoglobuline, factori mitogeni, etc.

Receptorii membranari interacţionează cu diferiţi liganzi endogeni sau exogeni, consideraţi mesageri de ordinul I. La nivelul plasmalemei receptorul activat de ligand interacţionează cu sistemele enzimatice care generează în citosol mesageri de ordinul II, de regulă AMP-ciclic (adenozinmonofosfat ciclic).

Cel de al doilea mesager, respectiv AMP-ciclic, declanşează un lanţ de reacţii care provoacă în final răspunsul specific al celulei la mesagerul de ordinul I.

Mulţi receptori împreună cu liganzii lor sunt înglobaţi în citoplasmă prin endocitoză-endocitoză mediată de receptori.

Receptorii membranari izolaţi şi studiaţi până în prezent sunt glicoproteine cu greutate moleculară mare.

În raport cu specificul funcţional al fiecărui tip celular, membrana prezintă variate diferenţieri adaptative, care alcătuiesc în ansamblu configuraţia externă a celulei. Cele mai comune sunt diferenţierile membranei implicate în stabilirea joncţiunilor intercelulare care pot fi variate ca tip morfofuncţional cum sunt: joncţiunile de adezivitate, joncţiunile strânse impermeabile

16

Page 17: Ceasul Molecular Al Vietii 1

(occludens) şi joncţiunile comunicante (gap sau nexus). La celulele suprasolicitate mecanic (epidermă, epiteliul gingival, miocardocite lucrătoare) joncţiunile de adezivitate sunt reprezentate de diferite tipuri de desmozomi.

La celulele specializate pentru funcţiile de absorbţie (enterocite, nefrocite) sau pentru recepţia unor stimuli (epiteliile senzoriale), membrana împreună cu ectoplasma diferenţiază microvili şi stereocili (cili ficşi), diferenţieri care măresc considerabil suprafaţa de relaţie a celulei cu mediul extracelular.

La celulele care se deplasează liber în mediul fluid (leucocite, macrofage, spermii) membrana este angajată în pseudopode, văluri ondulante, cili mobili (kinocili). Kinocili există şi la unele celule fixe (celulele ciliate ale epiteliului respirator) care deplasează la nivelul suprafeţei ciliate un fluid conţinând diferite particule (poluanţi atmosferici).

La numeroase tipuri celulare membrana întreţine relaţii cu mediul extracelular prin endocitoză şi exocitoză, procese implicate în funcţiile de nutriţie, de apărare, transport transcelular, de eliberare a produselor secretate.

Diferenţierile adaptative ale membranei celulareDiferenţierile membranei celulare implicate în adezivitatea celularăAdezivitatea celulară este o proprietate generală comună tuturor celulelor

în care este implicată membrana celulară. Ea este mediată de molecule specifice denumite generic CAM (cell adhesion molecule).

Adezivitatea celulară implică în primul rând recunoaşterea celulară, care constă în interacţiunea specifică dintre diferite molecule ce aparţin glicolemei şi matricei extracelulare.

Adezivitatea celulară poate fi simplă sau prin dispozitive joncţionale speciale.

Joncţiunea intercelulară simplăEste mediată de molecule simple sau complexe macromoleculare. Spaţiile

intercelulare sunt ocupate de o matrice extracelulară bogată în glicoproteine şi proteoglicani care interacţionează cu glicolema. În matricea extracelulară circulă liber lichidul interstiţial format din apă, diferiţi ioni şi molecule organice. Lichidul interstiţial constituie un mediator al schimburilor de metaboliţi între celulă şi compartimentul sanguin sau limfatic.

Dispozitivele joncţionale speciale sunt de dimensiuni foarte mici, ele pot fi evidenţiate numai la microscopul electronic. Dispozitivele joncţionale speciale sunt prezente la marea majoritate a tipurilor de celule, dar sunt mai numeroase şi caracteristice pentru epitelii, unde celulele sunt strâns asociate într-o anumită ordine.

Se disting 3 categorii de dispozitive joncţionale speciale:a) dispozitive joncţionale de adezivitateb) dispozitive joncţionale de ocluziune (impermeabilitate)c) dispozitive joncţionale comunicante

17

Page 18: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Dispozitivele joncţionale de adezivitate. Asigură aderarea mecanică a celulelor; cuprind toate tipurile de desmozomi:

- desmozomi tip pată („spot”) sau macula adherens;- desmozomi tip centură sau zonula adherens (sinonime: joncţiunea

intermediară, terminal bar);- hemidesmozomi;(gr. desmozom = corp de legătură).Desmozomii tip pată, prezintă organizarea ultrastructurală cea mai

complexă şi sunt consideraţi ca prototip de organizare a desmozomilor. Ei se prezintă sub forma unor arii mici, ovale sau circulare, plasate la acelaşi nivel în membranele celulelor alăturate. La nivelul acestor arii, membranele celulelor adiacente sunt dispuse paralel la o distanţă constanta de 25-30 nm. Spaţiul intercelular este ocupat de o matrice filamentoasă slab electronodensă bisectată de o lamă cu densitate electronică mare, alcătuită din desmocolină. La acelaşi nivel pe faţa citoplasmatică a plasmalemei, citoscheletul membranar formează o placă de ataşare, alcătuită din proteine speciale desmoplachine, cu densitate electronică mare. În aceste plăci de ataşare electronodense se ancorează filamente de citokeratină (tonofilamente) şi microfilamente de actină. Filamente scurte - linkeri - fac legătura între tonofilamente şi lama centrală electronodensă, străbătând spaţiul intercelular, plasmalema şi plăcile ataşate ei.

Desmozomii tip centură, numeroşi în ţesutul miocardic sau la unele tipuri de epitelii, formează un brâu mai mult sau mai puţin continuu în zonele de solicitare mecanică a celulelor.

În cazul enterocitelor se prezintă ca o bandă care înconjură celula la polul apical. Aceasta se află în relaţie cu o bandă similară, situată la acelaşi nivel în celula adiacentă. Pe faţa citoplasmatică a membranei celulare se găsesc aglomerate proteine ca: miozina, tripomiozina, α-actinina, vinculina. La nivelul acestor benzi se insera filamentele citoscheletale din celula respectivă.

Hemidesmozomii au aceeaşi structură cu desmozomii „în pată” dar sunt reduşi la jumătate. Ei leagă plasmalema bazală a celulelor epiteliale de componentele membranei bazale, aşa cum se poate observa în electronofotografia, ce reprezintă un mic fragment din polul bazal al unei keratinocite din stratul bazai al epidermei.

Numărul, mărimea şi complexitatea structurală a joncţiunilor celulare de adezivitate sunt direct proporţionale cu intensitatea forţelor de forfecare sau de tracţiune care se exercită asupra unor ţesuturi. Aceste joncţiuni sunt mai numeroase în epidermă, în epiteliul mucoasei bucale şi esofagiene, în miocardul contracţii.

Dispozitivele joncţionale de ocluziune (sinonime: zonula occludens; joncţiunea impermeabilă; joncţiunea îngustă; tight jonction). Leagă celulele între ele şi asigură totodată etanşeizarea spaţiilor intercelulare. Sunt caracteristice epiteliilor adaptate funcţiei de absorbţie, resorbţie, tranzit

18

Page 19: Ceasul Molecular Al Vietii 1

transcelular (ex. enterocite, nefrocite), unde formează un brâu continuu la polul luminai al celulelor.

La nivelul joncţiunii înguste, plasmalemele celulelor adiacente sunt foarte apropiate, spaţiul intercelular este redus (2,5 nm). Organizarea lor ultrastructurală este vizibilă numai la măriri de peste 100.000 x. Date mai exacte au fost obţinute în preparate criofracturate, unde joncţiunea îngustă apare ca şiruri de particule dispuse paralei alcătuind o structură în formă de centură (brâu), care înconjură complet polul luminai al fiecărei celule în parte. Joncţiunea îngustă este constituită din proteine transmembranare specifice, dispuse la acelaşi nivel în plasmalemele celulelor adiacente. Aceste proteine traversează spaţiul intercelular îngust şi stabilesc contacte directe cu simetricele lor, aşa încât legătura dintre cele două celule poate fi comparată cu dinţii unui fermoar.

Stabilitatea joncţiunilor se datorează interacţiunii proteinelor transmembranare cu filamentele de actină şi citokeratină (componente ale matricei citoplasmatice).

Joncţiunile înguste pot fi asociate cu alte tipuri de joncţiuni formând complexe joncţionale în care joncţiunile se succed astfel: joncţiunea îngusta, joncţiunea intermediară, joncţiunea comunicantă, desmozom (ultimele două joncţiuni nu se menţin obligatoriu în această ordine).

Dispozitivele joncţionale comunicante (sinonime: gap, nexus) sunt joncţiuni strânse (înguste) cu o largă răspândire în ţesuturile animale.

Ele asigură adezivitatea celulară şi permit circulaţia moleculelor mici de la o celulă la alta, realizând fie cuplarea metabolică de mare importanţă în embriogeneză, fie cuplarea electrică ca în cazul miocardului pentru sincronizarea instantanee a contracţiei miocardocitelor.

Joncţiunile comunicante se prezintă sub forma unor arii mici distribuite pe suprafaţa plasmalemelelor celulelor adiacente. Proteinele transmembranare formează conexoni, structuri cu aspect tubular. Conexonii leagă direct interiorul celulelor printr-un canal hidrofil continuu. O joncţiune comunicantă poate conţine câteva sute de conexoni organizaţi în grupuri mici în sistem hexagonal. Prin conexoni se face legătură directă între celulele adiacente.

În TEM conexonii apar ca particule intramembranare, pe feţele de clivaj ale membranelor celulare. Spaţiile intercelulare dintre conexoni numite „gap-uri” sau nexus sunt foarte înguste (2-4 nm), ele totuşi permit circulaţia unor molecule din lichidul interstiţial.

Diferenţierile membranei celulare adaptate la funcţia de endocitozăEndocitoza proces ce se realizează la nivelul membranei celulare,

reprezintă înglobarea în citoplasmă celulelor a unor particule lichide sau solide din mediul extracelular. În funcţie de mărimea şi starea fizică a particulelor înglobate, endocitoza se realizează prin pinocitoză (gr. pinein = a bea) sau fagocitoză (gr. phagein = a mânca).

19

Page 20: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Indiferent de mecanismul prin care se realizează, procesul de endocitoză poate fi implicat în funcţia de nutriţie a celulei, în tranzitul unor substanţe prin celulă, în stocarea intracelulară a unor substanţe de rezervă, în purificarea mediului extracelular; în apărarea organismului.

PinocitozaSe întâlneşte la unele tipuri celulare şi reprezintă calea prin care celulele

înglobează picături de lichid tisular. Înglobarea lichidului se face în mici depresiuni veziculare (de 2,5-50 nm) pe care le formează membrana celulară spre interiorul celulei, numite caveole de pinocitoză. Pinocitoza este vizibilă numai electronomicroscopic (fig. 22, 24, 25). Procesul de pinocitoză poate fi mediat de receptori membranari specifici şi se realizează într-o secvenţă ce presupune mai multe faze:

- alăturarea particulelor la suprafaţa membranei celulare, fază mediată de receptori;

- formarea unei invaginări în dreptul particulei şi constituirea unei caveole de pinocitoză, care conţine picătura de lichid tisular cu particulele ce urmează a fi înglobate;

- detaşarea de plasmalemă a caveolei de pinocitoză şi înglobarea ei în ectoplasmă, după care plasmalemă se reface.

La pinocitoza mediată de receptori, caveolele şi pinozomii au la suprafaţă clatrină - proteină specifică pentru veziculele acoperite sau „coated pits”. Aceste vezicule prezintă pe suprafaţa lor mici spinişori.

La anumite tipuri de celule pinocitoza se realizează şi prin alte modalităţi:- prin invaginări tubulare care se strangulează succesiv formând şiruri de

pinozomi;- prin expansiuni lamelare unice care se apropie de suprafaţa membranei

celulare, fuzionează cu aceasta, formând de asemenea pinozomi;- prin expansiuni lamelare duble, care fuzionează median prin

extremităţile libere, rezultatul final fiind acelaşi, formarea pinozomilor.În cazul în care pinocitoză deserveşte funcţiile de: nutriţie, apărare,

purificarea mediului extracelular ambiant, pinozomii fuzionează cu lizozomii primari, formând vacuole digestive sau pinolizomi.

Materialul înglobat în acestea va fi supus unui proces de digestie enzimatică intracelulară sub acţiunea hidrolazelor lizozomale.

La celulele specializate la funcţia de tranzit transcelular (la celulele endoteliului capilar de ex.) pinozomii ce se formează la un pol, se deplasează în flux continuu spre polul opus. Conţinutul pinozomilor este eliminat printr-un proces de pinocitoză inversă (exocitoză), fie în ţesuturi prin polul bazai, fie în sânge prin polul luminal.

Exocitoza reprezintă procesul de externare în mediul extracelular a conţinutului unor vezicule. Acesta poate fi de natură endogenă - ex. conţinutul veziculelor golgiene sau exogenă - substanţe aflate în tranzit transcelular.

20

Page 21: Ceasul Molecular Al Vietii 1

FagocitozaConstituie o cale prin care celulele înglobează din mediul extracelular

particule solide de dimensiuni diferite. Este specifică, mediată de receptori membranari şi nespecifică. în raport cu mărimea particulelor înglobate, celulele capabile de fagocitoza se clasifică în microfage (ex. granulocitele neutrofile) şi macrofage.

Înglobarea se face cu ajutorul pseudopodelor, mantiilor sau vălurilor pe care le formează membrana celulară finalizându-se cu formarea unui fagozom. După fuzionarea lui cu lizozomii primari şi formarea unui fagolizom (vacuolă digestivă), conţinutul va fi degradat total sau parţial de hidrolazele acide.

Ca şi pinocitoză, fagocitoza este un proces complex care se desfăşoară în trei etape succesive: ataşarea, înglobarea, digestia.

Diferenţieri ale membranei celulare cu rol în mărirea suprafeţei de relaţie cu mediul extracelular (biotopul)

Sunt reprezentate de microvili, stereocili, cili, labirint bazal şi sunt prezente la celule adaptate pentru funcţiile de:

- absorbţie, reabsorbţie, ex. la enterocite, nefrocite, sinciţiotrofoblast;- recepţie a unor stimuli, ex. la celule receptoare ale unor analizatori

(olfactiv, gustativ, auditiv, vestibular).

MicroviliiSunt prelungiri digitiforme ale membranei celulare de la polul apical.În axul microvilului se află un fascicul de microfilamente de actină

solidarizate între ele şi de plasmalemă prin polipeptide ca: fimbrina, vilina, calmodulina, tropomiozina. Fasciculul de microfilamente reprezentând citoscheletul microvilului se fixează apical într-un material electronodens, iar bazal se ancorează în trama terminală, o reţea filamentoasă aflată la limita joncţiunii microvilului cu polul luminal al celulei. Axul citoscheletic asigură forma şi rezistenţa microvilului.

Microvilii se prezintă sub diferite forme în funcţie de tipul celulei şi constituie criterii pentru identificarea acestora. Astfel, microvilii enterocitului, care formează „bordura striată” vizibilă în microscopia optică, sunt echidistanţi, de aceeaşi grosime şi lungime, iar citoscheletul lor este bine reprezentat. Microvilii nefrocitului din segmentul proximal al tubului urinifer, ce formează „bordura în perie”, sunt mai lungi decât la enterocite, nu au toţi de aceeaşi lungime, iar citoscheletul axial este mai redus şi de aceea apar uşor ondulaţii.

La plexurile coroide ventriculare microvilii sunt pedunculaţi, iar la celulele solitare (limfocite B, limfocite T, monocite, macrofage, celule tumorale ascitice) microvilii sunt de diferite lungimi şi forme.

21

Page 22: Ceasul Molecular Al Vietii 1

StereociliiSunt microvili foarte lungi, simpli sau ramificaţi, având citoscheletul

asemănător cu al microvililor. Ei nu conţin ansambluri de microtubuli aşa cum conţin cilii şi flagelii. La microscopul optic se aseamănă cu cilii fiind consideraţi cili ficşi.

Labirintul bazalEste o diferenţiere a membranei celulare de la polul bazai al celulelor

implicate în funcţia de reabsorbţie, cum sunt de ex. nefrocitele din segmentul proximal şi distal al tubului urinifer.

Labirintul bazal se prezintă sub forma unor invaginări digitiforme sau lamelare ale membranei celulare de la polul bazai. Acestea pătrund adânc în citoplasmă celulelor, compartimentând-o în coloane care conţin numeroase mitocondrii - organite ce furnizează energia necesară transportului activ prin membrana celulară.

Diferenţieri ale membranei celulare adaptate funcţiei de motilitate celulară

Astfel de diferenţieri constituie organitele de mişcare care pot fi temporare sau permanente.

Organitele temporare ale motilităţii sunt reprezentate de pseudopode, filopode, lamelipode, văluri şi mantii ondulante. Ele apar, dispar şi se formează din nou prin diferenţieri regionale ale membranei celulare şi ectoplasmei. Citoscheletul acestor organite este bogat în microfilamente: filamente - de actină, miozină, tropomiozină.

Aceste organite sunt prezente la celulele capabile de fagocitoză şi de deplasare în mediul fluid (leucocite, histiomacrofage).

Organitele permanente ale motilităţii celulare sunt reprezentate de cili şi flageli. Aceştia constituie diferenţieri celulare de suprafaţă cu o structură complexă şi caracteristică, având un citoschelet format din ansambluri de microtubuli. Se întâlnesc la celulele epiteliale ciliate (epiteliul căilor respiratorii, epiteliul tubei uterine) sau la spermiile majorităţii metazoarelor.

CITOPLASMACitoplasma reprezintă conţinutul celulei cuprins între membrana celulară

şi nucleu, constituind cu acestea o unitate morfofuncţională indestructibilă. Citoplasmă este alcătuită din matricea citoplasmatică (citoplasmă fundamentală sau hialoplasma), în care sunt dispersate organitele citoplasmatice delimitate sau nu de citomembrane (endomembrane) şi diferite incluziuni (glicogen, lipide, pigmenţi, granule de secreţie).

Organitele citoplasmatice delimitate de citomembrane cum sunt: reticulul endoplasmic, complexul Golgi, mitocondriile, lizozomii, peroxizomii, la care se adaugă veziculele de transport, compartimentează abundent citoplasmă. Fiecare

22

Page 23: Ceasul Molecular Al Vietii 1

compartiment, corespunzător unui anume organit este delimitat de o citomembrana cu organizarea moleculară tip „membrana uint”, dar cu o compoziţie biochimică proprie. Astfel citomembranele diferitelor compartimente (organite) creează şi menţin anumite gradiente chimice şi electrochimice, care asigură buna desfăşurare a funcţiilor celulare. Compartimentele citoplasmatice, fiecare cu matrice proprie, se află într-o permanentă interrelaţie, riguros controlată la nivel celular.

Matricea citoplasmaticăReprezintă partea nestructurată a citoplasmei, care la rândul ei cuprinde

două componente:- citosolul - componenta fluidă, formată din apă, electroliţi, molecule

organice mici, proteine solubile;- citoscheletul - componenta solidă, constituită din proteine simple şi

complexe care formează ansambluri macromoleculare de susţinere. Ele alcătuiesc structuri ca: microtubuli, filamente intermediare, microfilamente, ce se comportă asemenea unui schelet (schelet celular).

1. Microtubulii sunt structuri cilindrice, tubulare, lungi şi subţiri (câţiva µm lungime şi 25 nm grosime). Sunt alcătuiţi din 13 protofilamente cu traiect helicoidal. Fiecare protofilament este format din heterodimeri de tubulină α şi β.

2. Filamentele intermediare sunt structuri fibrilare lungi şi subţiri (10 nm grosime) grupate în fascicule. Ele rezultă din polimerizarea unor proteine specifice în raport cu tipul celular, având caracteristici biochimice şi imunologice diferite. în funcţie de aceste caracteristici se cunosc mai multe tipuri de filamente intermediare:

- filamente de citokeratină - prezente în celulele epiteliale de origine în special ectodermică, unde formează tonofilamente;

- filamente de vimentină - au traiect sinuos; sunt prezente în celulele de origine mezodermică, unde sunt asociate cu filamente specifice tipului celular.

- filamente de scheletină sau desmină - prezente în celulele musculare.- neurofilamentele - prezente în neuroni - gliofilamentele - caracteristice celulelor gliale.3. Microfilamentele sunt filamente subţiri (6 nm grosime) constituite din

F actină (actină filamentoasă, polimerizată din G-actină-actină monomerică). Microfilamentele de actină formează fascicule ordonate, ce se ancorează pe faţa citoplasmatică a membranei celulare în zone cu sau tară diferenţieri speciale, unde se află de regulă şi vinculina. Microfilamentele de actină pot să interacţioneze cu filamente scurte de miozină, alcătuind unităţi motorii variate ca mărime şi conformaţie.

Elementele citoscheletale sunt mai abundente în zona periferică a citoplasmei, ectoplasma, care este mai densă şi lipsită de organite citoplasmatice. Ele sunt implicate în specializările celulare de suprafaţă ca microvili, stereocili cu rol în mărirea suprafeţei celulare sau cili, flageli

23

Page 24: Ceasul Molecular Al Vietii 1

(organite permanente de mişcare), membrane ondulante, pseudopode, filipode (organite temporare de. mişcare) - cu rol în motilitatea celulară.

Cele două componente ale matricei citoplasmatice - citosolul şi citoscheletul - se află în interdependenţă, într-un echilibru dinamic, cu schimb permanent de molecule proteice. În strânsă interrelaţie, citosolul şi citoscheletul conferă hialoplasmei aspectul de gel fluid - când dominant este citosolul, sau gel consistent - când dominant este citoscheletul.

ORGANITELE CITOPLASMATICEOrganitele citoplasmatice reprezintă diferenţierile structurale ale

citoplasmei, specializate pentru îndeplinirea anumitor funcţii celulare. Din punct de vedere structural ele se pot grupa în două categorii:

a) Organitele citoplasmatice delimitate de membrane (endomembrane sau citomembrane) cum sunt: reticulul endoplasmatic neted (REN), reticulul endoplasmatic granular (REG) sau ergastoplasma, complexul Golgi, veziculele de transfer, mitocondriile, lizozomii, corpusculii multiveziculoşi, corpusculii denşi, peroxizomii. Aceste organite subîmpart citoplasma în compartimente cu matrice proprie alcătuind sistemul endomembranar. Endomembranele fiecărui compartiment constituie suportul structural al enzimelor ce intervin în buna desfăşurare a diferitelor funcţii celulare;

b) Organitele citoplasmatice fără membrane cum sunt: polizomii liberi şi ataşaţi la reticulul endoplasmic, centriolii, corpusculii bazali, cilii, flagelii, etc.

Organitele citoplasmatice delimitate de citomembraneO parte din organitele citoplasmatice cum sunt: condriomul, complexul

Golgi, ergastoplasma (RER), vacuomul (reprezentat de macroveziculele şi cisternele golgiene dilatate, cisternele REN şi RER dilatate) sunt vizibile şi la microscopul optic; dar cercetările de microscopie electronică au oferit numeroase detalii cu privire la organizarea lor ultrastructurală.

În cele ce urmează ne vom referi sumar la aceste organite celulare aşa cum se prezintă în microscopia optică şi microscopia electronică de transmisie.

Reticulul endoplasmicReprezintă unul din organitele citoplasmatice (compartimentele celulare)

cu cea mai complexă dispunere tridimensională. În microscopia optică este parţial evidenţiat sub formă de vacuom. În microscopia electronică apare ca un vast sistem tridimensional de spaţii tubulare şi vacuolare delimitate de o citomembrană trilaminară subţire. Spaţiile vacuolare, numite cisterne, se prezintă frecvent sub formă de saculi turtiţi. Cisternele şi canaliculele anastomozate între ele formează o reţea, ce ocupă partea internă, mai fluidă, a citoplasmei - endoplasma - de unde şi numele de reticul endoplasmic.

În cadrul sistemului endomembranar, reticulul endoplasmic cuprinde compartimente distincte, diferenţiate structural şi funcţional cum sunt:

1) reticulul endoplasmic neted (REN);

24

Page 25: Ceasul Molecular Al Vietii 1

2) reticulul endoplasmic granular (rugos) - REG(RER);3) elementele tranziţionale (veziculele de transport) dispuse la graniţa

dintre RE şi complexul Golgi;4) cisterna perinucleară; compartimente relativ constante.Mai rar întâlnite sunt:5) cisternele fenestrate (annulatae lemellae) şi6) cisternele subplasmalemale. Indiferent de varietate şi gradul de dezvoltare, compartimentele comunică

între ele.

Reticulul endoplasmatic neted (REN)Este acea parte a sistemului endomembranar alcătuită din cisterne şi

canalicule fine, dispuse în reţea. Endomebranele REN conţin numeroase enzime implicate în importante procese metabolice:

- enzime implicate în metabolismul lipidic (trigliceride, fosfolipide, sfingolipide, colesterol).

- enzime care remaniază compoziţia acizilor graşi din moleculele fosfolipidice prin alungirea moleculelor de acizi graşi sau prin desaturarea acizilor graşi.

- enzime implicate în metabolismul glucidic (glicogenogeneză, glicogenoliză).

- enzime care permit transferul unor ioni (ex. Ca++, Mg++).- sisteme enzimatice complexe implicate în procese de detoxifiere (prin

hidroxilare sau prin conjugare cu glucuronat sau cu aminoacizi).Reticulul endoplasmic este prezent în marea majoritate a tipurilor

celulare, lipseşte total din hematiile circulante. În toate celulele REN intervine în sinteza fosfolipidelor care intră în structura bistratului lipidic al plasmalemei şi al endomembranelor diverselor compartimente celulare. Este bine reprezentat în acele tipuri celulare care îndeplinesc cu predilecţie una din funcţiile în care sunt implicate sistemele enzimatice menţionate anterior. Astfel REN este abundent în adipocite, implicate în sinteza trigliceridelor; în celulele glandulare endocrine implicate în metabolizarea colesterolului, ca de exemplu celulele corticosuprarenalei, celulele interstiţiale Leydig din testicul etc. În hepatocite unde REN este implicat în catabolismul colesterolului, a hormonilor steroidici şi a multor droguri cu structură ciclică este bine reprezentat; acesta poate prolifera excesiv în cazul administrării de hormoni steroizi sau droguri (de exemplu barbiturice). Proliferarea REN în asemenea împrejurări este corelată cu necesitatea amplificării sistemelor enzimatice de detoxifiere, a căror enzime sunt toate proteine integrale ale membranelor REN.

Reticulul endoplasmic granular RECEste evidenţiat în microscopia electronică; are ca echivalent

ergastoplasma în microscopia optică (gr. ergastein = a elabora, plasma-

25

Page 26: Ceasul Molecular Al Vietii 1

formaţie). Ergastoplasma a fost observată în celulele glandulare exocrine, iar prezenţa sa a fost corelată cu activitatea de sinteză a unor produşi specifici de natură proteică secretaţi de aceste celule. Ea conferă bazofilie celulelor.

În microscopia optică ergastoplasma se prezintă sub forme diferite:- de lame paralele sau lame concentrice (parazomi) dispuse la polul bazal

al celulelor seroase pancreatice acinare, sau ale glandelor salivare;- de corpusculii rotunjiţi (corpusculii Berg) în hepatocite;- de corpusculii colţuroşi (corpusculii Nissl sau tigroizi) în neuroni.Există o strânsă corelaţie între aspectul şi reacţia tinctorială a

ergastoplasmei şi starea funcţională a celulei. În suprasolicitări funcţionale sau în stări patologice ergastoplasma poate să dispară, fenomen numit cromatoliză, observat la celulele nervoase.

Sub aspect ultrastructural REG este un compartiment al RE caracterizat prin asocierea sa cu ribozomii sub formă de polizomi ataşaţi pe faţa externă a cisternelor RE. Datorită ribozomilor ataşaţi la reticul, ergastoplasma conferă bazofilie citoplasmei. REG reprezintă acea parte a sistemului endomembrar în care predomină componentele cisternale aplatizate, grupate în pachete şi interconectate prin canalicule subţiri. Spaţiile intracisternale sunt de dimensiuni variabile; când sunt foarte înguste membranele RE apar strâns apropiate, când sunt largi conţin un material floculent, de densitate electronică diferită. Acest material reprezintă produsul de sinteză de natură polipeptidică elaborat de ribozomi, injectat şi segregat intracisternal, cum apare de exemplu la plasmocite, unde cisternele REG, foarte numeroase şi largi, conţin un material granulo-filamentos cu densitate electronică redusă.

Reticulul endoplasmatic granular (rugos) se găseşte aproape în toate tipurile de celule; prezintă însă mari variaţii cantitative în raport cu tipul celular şi starea funcţională a celulelor. Este foarte bine reprezentat în:

- celulele glandulare implicate în sinteza de proteine de secreţie („de export”) cum sunt celulele pancreatice exocrine (34% din volumul citoplasmei este reprezentat de REG), celulele seroase ale glandelor salivare, celulele glandulare tiroidiene, hipofizare, celulele neurosecretoare hipotalamice, etc.

- celulele producătoare de proteine serice cum sunt hepatocitele, plasmocitele;

- celulele de tip conjunctiv care produc componenţii materiei conjunctive intercelulare, (tropocolagen, elastină şi alţi componenţi matriciali) cum sunt: fibroblastele, condroblastele, osteoblastele.

REG ca şi REN sunt structuri dinamice şi labile. Abundenţa sau reducerea lor oferă indicii cu privire la activitatea de elaborare a unor produşi în care sunt implicate aceste organite. în cazul REG, ataşarea polizomilor la cisternele RE este un proces tranzitoriu, dar obligatoriu în cursul sintezei diferitelor proteine. Când procesul de sinteză a încetat, polizomii se detaşează de cisternele RE.

26

Page 27: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Ergastoplasma poate fi observată la microscopul optic pe secţiuni prin pancreas de mamifer, colorate cu hemalaun-eozină sau cu verde de metil-pironină.

Celulele glandulare ale pancreasului exocrin sunt organizate în acini glandulari de formă ovalară. Celulele acinare au formă piramidală cu vârful rotunjit. Ele prezintă un pol bazal larg, unde începe elaborarea produsului de secreţie la nivelul REG şi un pol luminai (apical) îngust, unde produsul de secreţie este eliminat prin exocitoză în lumenul acinului. În acinii secţionaţi transversal celulele glandulare au contur triunghiular. În porţiunea bazală a celulei se află nucleul veziculos, cu 1-2 nucleoli şi ergastoplasma sub formă de lamele paralele, orientate perpendicular pe polul bazal. Uneori lamelele de ergastoplasma se orientează concentric constituind mici corpusculi, numiţi parazomi. Ergastoplasma sub formă de lamele paralele, cât şi sub formă de parazomi se colorează în roşu cu pironină sau în violet cu hemalaunul la fel ca şi nucleul. În polul luminal se observă mici granule de secreţie ca o pulbere fină, ce se colorează în roz luminos cu eozină (celula are dublă afinitate tinctorială; pol bazal-bazofil, pol apical-acidofil).

Ultrastructura ergastoplasmei sub formă de lamele paralele şi de lamele concentrice poate fi examinată şi pe electronofotografii ce reprezintă fragmente din polul bazai al unei celule pancreatice exocrine de mamifer, unde REG se prezintă sub formă de cisterne aplatizate cu spaţiul intracisternal redus, asociate în pachete (stive). Pe faţa externă a membranelor RE se disting numeroşi poliribozomi ataşaţi.

În celulele nervoase (neuroni) ergastoplasma prezintă un aspect cu totul particular. Ea apare sub forma unor aglomerări dense, puternic bazofile, cu contur neregulat, cunoscute sub numele de substanţă cromatofilă, corpusculi Nissl sau corpusculi tigrozi. Corpusculii Nissl reprezintă aglomerări dense de REG, separate prin fascicule de neurofibrile, care străbat corpul celular pe diferite direcţii, în raport cu polii de emergenţă ai prelungirilor neuronale. Pe preparatele histologice pot fi evidenţiaţi cu albastru de metilen.

Aspectul, localizarea şi cantitatea de ergastoplasmă (corpusculi Nissl) variază în raport cu vârsta, starea funcţională a neuronului şi cu tipul morfofuncţional al acesteia. La neuronii motori ergastoplasmă este mult mai abundentă, aşa cum vom observa la neuronii somatomotori mari α din coarnele anterioare ale măduvei spinării în neuroni, corpusculii Nissl populează toată citoplasmă pericarionului, pătrunzând şi în polurile de emergenţă ale dendritelor (rădăcina dendritelor), dar nu şi în conul de emergenţă al axonului.

Cisterna perinucleară formează învelişul nuclear (membrana nucleară dublă) ce delimitează conţinutul nucleului în interfază, când nucleul constituie un compartiment celular distinct, separat de restul citoplasmei. Cisterna perinucleară este vizibilă numai pe electronofotografii şi este formată din membrana nucleară internă şi membrana nucleară externă, care delimitează spaţiul intracisternal sau perinuclear.

27

Page 28: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Complexul Golgi (CG)Este un compartiment celular şi respectiv un organit citoplasmatic prezent

în majoritatea celulelor, fiind situat între RE şi plasmalemă.În microscopia optică CG, evidenţiat prin impregnare cu azotat de argint

sau cu tetraoxid de osmiu (OsO4), apare fie sub formă de elemente izolate, numite golgiozomi sau dictiozomi (corpusculi desprinşi din reţea; gr. diktyos = reţea, soma = corp). În raport cu tipul celular, dictiozomii sunt de formă ovalară, discoidală sau lenticulară.

La microscopul optic complexul Golgi poate fi examinat în neuronii din ganglionii spinali de la un mamifer. Preparatele microscopice sunt obţinute cu tehnica Kolacev-Nasonov prin impregnare cu OsO4. La nivelul citomembranelor golgiene de natură lipoproteică, OsO4 este redus în dioxid de osmiu OsO2 de culoare neagră care se depune pe suprafaţa lor şi astfel unităţile golgiene (dictiozomii) apar colorate în negru.

În ganglionii spinali, care conţin neuroni pseudounipolari de talie mică, mijlocie şi mare, complexul Golgi se prezintă diferit: sub formă de reţea perinucleară în neuronii mici, sub formă de dictiozomi cu dispunere perinucleară în neuronii mijlocii sau dictiozomii dispersaţi în toată citoplasmă, în neuronii mari.

Dictiozomii din neuronii ganglionilor spinali au formă lenticulară convex-concavă şi prezintă două zone diferit colorate-cromofilă şi cromofobă, care se pot distinge prin examinarea atentă cu obiectivul de imersie (90 x).

Zona cromofilă, convexă, intens colorată în negru, corespunde stivei de cisterne, unde densitatea de citomembrane (respectiv de structuri lipoproteice) este mai mare şi prin urmare la acest nivel se va reduce mai puternic OsO 4 în OsO2 de culoarea neagră.

Zona cromofobă, slab colorată, dispusă în concavitatea zonei cromofile, corespunde zonei ocupate de macrovezicule, distanţate între ele, nivel la care OsO4 redus va fi în cantitate mai mică.

În microscopia electronică, dictiozomii apar alcătuiţi din stive de cisterne aplatizate asociate cu micro- şi macrovezicule; toate aceste componente având citomembrane cu suprafaţa netedă. În celulele glandulare exocrine, dictiozomii în număr variabil sunt situaţi supranuclear. Fiecare dictiozom este format dintr-un număr de 3-10 (număr constant pentru acelaşi tip celular) cisterne discoidale, aplatizate în partea centrală şi uşor dilatate la periferie. Fiecare cisternă poate avea un diametru de 0,5 µm fiind pe alocuri fenestrată. Stiva de cisterne prezintă o faţă cis, convexă (faţa proximală sau imatură sau polul formator) şi o faţă trans, concavă (faţa distală sau matură, sau polul de maturare). Pe faţa cis, cisternele interacţionează cu elementele tranziţionale desprinse din REG. Între cisternele tranziţionale ale REG şi polul formator ca şi în jurul circumferinţei cisternelor golgiene se află un număr variabil de microvezicule cu conţinut electronoclar. Pe faţă trans cisternele sunt mai dilatate şi conţin un material

28

Page 29: Ceasul Molecular Al Vietii 1

filamentos cu densitate electrică medie. Această faţă se află în relaţie cu macrovezicule (în număr variabil), mai mult sau mai puţin dilatate de produsele de secreţie, aflate în diferite stări de condensare, având de aceea electronodensitate diferită. Macroveziculele (vacuolele golgiene) provin prin fragmentarea cisternelor de pe faţa trans.

La nivelul CG au fost identificate enzime ca: fosfataza alcalină, adenozintrifosfataza (ATP-aza); 5-nucleotidaza; tiamin pirofosfataza (TPP-aza); nicotindinucleotid fosfata (NDP-aza); glucoziltransferaza şi galactozil-transferaza, ultimele două fiind considerate enzime marker.

Complexul Golgi constituie un compartiment de transfer, de prelucrare (modificare), de concentrare (condensare) şi de împachetare a unor proteine specifice: enzime, mucus, hormoni, coloid, neurosecreţie, glicoproteine membranare şi matriceale a căror sinteză a fost iniţiată la nivelul ribozomilor ataşaţi la RE. în tranzitul prin CG proteinele sunt modificate prin proteoliză parţială şi glicozilare sau sulfatare terminală. Pe faţa trans, prin fragmentarea cisternelor dilatate, se realizează împachetarea produsului de secreţie (aflat într-o anumită fază de concentrare) în vezicule, care prin fuzionare vor forma vacuole sau granule de secreţie. Concentrarea şi remanierea suplimentară a produsului de secreţie poate continua şi după detaşarea vacuolelor de pe faţa trans a dictiozomului.

Concentrarea conţinutului se realizează prin formarea de agregate sau complexe moleculare, concomitent cu eliminarea pasivă a apei din vacuole în citosol. Concentrarea produselor de secreţie şi formarea de granule secretorii este caracteristică pentru acele celule glandulare care depozitează produsul de secreţie intracelular. Aceasta le dă posibilitatea să-l elibereze în bloc prin stimularea lor de către hormoni sau neurotransmiţători.

LizozomiiSunt organite cu funcţie litică; ei determină catabolismul produşilor

biologici prin hidroliză. Sunt prezenţi în toate tipurile de celule şi sunt foarte numeroşi în celulele capabile de fagocitoză (granulocite, monocite, macrofage, etc); lipsesc din hematiile mature.

Lizozomii pot fi observaţi pe electronofotografii sub forma unor corpusculi ovoizi (0,2-0,5 µm) cu un conţinut fin granular, electonodens, delimitat de o endomembrană sau pe secţiuni la microscopul optic, evidenţiaţi prin tehnici histochimice pentru enzimele marker.

În lizozomi au fost identificate peste 50 de enzime, capabile sa hidrolizeze compuşii biologici în mediul slab acid (pH.5), numite generic hidrolaze acide.

Dintre enzimele lizozomale menţionăm:- RN-aza şi DN-aza acidă (pentru ARN şi ADN);- proteaze acide, catepsine, fosfoproteinfosfataze, colagenaze (pentru

diferite proteine);

29

Page 30: Ceasul Molecular Al Vietii 1

- glucozidază, galactozidază, manozidază, fucozidază, N-acetilglucoza-minidază, sialidază, hialuronidază, glucuronidază (pentru hexoze, hexozamine, glicoproteine, glicolipide);

- lipaze acide, fosfolipaze, ceraminidază, sfingomielinază (pentru lipide);- arilsulfatază, sulfaminidază (pentru sulfoesteri);- esteraze, fosfataza acidă (pentru fosfosteri).Enzimele marker pentru identificare lizozomilor pe fracţii celulare, sunt

fosfataza acidă, catepsina C, N-acetilglicozaminidaza, iar pentru secţiuni sunt fosfataza acidă, arilrsulfataza.

Datorită heterogenitaţii enzimatice, lizozomii au capacitatea să hidrolizeze o gamă variată de substanţe ca: acizi nucleici, aminoacizi, proteine simple şi complexe, glicoproteine, fosfoproteine, lipoproteine, proteoglicani, glicozaminoglicani, glicolipide, acizi graşi, etc.

În celule lizozomii prezintă o latenţă şi o stabilitate enzimatică; enzimele delimitate de endomembrane acţionează numai pe produşii biologici care se ataşează şi pătrund în interiorul lizozomilor.

Lizozomii se clasifică în: lizozomi primari, lizozomi secundari şi terţiari care în ansamblu formează sistemul lizozomal.

Lizozomii primari (granule de depozitare) sunt corpusculi mici, cu conţinut enzimatic sintetizat la nivelul RER, prelucrat şi împachetat la nivelul complexului Golgi în vezicule distincte ca în cazul granulaţiilor azurofile din leucocite.

Lizozomii secundari (fig 41) reprezintă rezultatul asocierii lizozomilor primari cu diferiţi produşi endo - sau exocelulari, fiind la rândul lor de mai multe feluri:

- heterofagozomii (vacuole digestive) ce se formează după endocitoza (fagocitoza sau pinocitoza) unui produs exogen şi rezultă prin asocierea fagozomului cu lizozomii primari. Pot fi examinaţi la microscopul optic în celulele Kupffer, la nivelul ficatului, printr-o metodă de coloraţie intravitală cu carmin litinat, albastru sau roşu tripan.

- autofagozomii (vacuole autofagice, citolizomi sau citosegrozomi) sunt de dimensiuni mai mari (0,6-1,8 µm) şi conţin părţi din celulă cu organite citoplasmatice alterate sau îmbătrânite (REN, RER, mitocondrii, granule de secreţie), care vor fi supuse procesului de digestie enzimatică.

Lizozomii secundari dau reacţie pozitivă pentru fosfatază acidă, ca şi lizozomii primari; pot fi evidenţiaţi pe cale histochimică.

- corpii reziduali consideraţi tot o formă de lizozomi secundari (după unii lizozomi terţiari), rezultă din heterofagozomi sau au-tofagozomi în cazul în care digestia enzimatică nu este completă. Corpii reziduali sunt de dimensiuni diferite şi sunt mai numeroşi în celulele îmbătrânite (de ex. granulele de lipofucsină sau pigmentul galben de uzură din neuronii şi miocardocitele indivizilor în vârstă). Corpii reziduali au numeroase implicaţii patologice; în absenţa unor enzime lizozomale, datorată unor cauze genetice, în celule, se

30

Page 31: Ceasul Molecular Al Vietii 1

acumulează cantităţi mari de corpi reziduali, care în final duc la distrugerea celulelor respective.

Lizozomii sunt implicaţi în diferite procese de digestie enzimatică şi anume:

- heterofagia - digestia enzimatică a produşilor exogeni (străini celulei);- autofagia - digestia locală a unor organite alterate; permite degajarea

hialoplasmei de infrastructurile alterate, uzate morfofuncţional;- crinofagia - o formă particulară de autofagie caracteristică celulelor

glandulare, cu rol în distrugerea excesului de secreţie;- autoliza - proces de digestie generalizată care afectează întreaga celulă;

în acest caz lizozomii eliberează simultan hidrolazele acide în citosol, acţionând asupra întregului conţinut celular.

Pe aceste căi lizozomii intervin în numeroase procese biologice;- de apărare a organismului, în procese patologice;- de distrugere a celulelor traumatizante, senescente sau a matricei

extracelulare;- de distrugere a unor primordii embrionare, cu viaţă temporară;- de remaniere a unei părţi din celulă, sau a materiei extracelulare; de

regenerare.

PeroxizomiiSunt corpusculi mici asemănători cu lizozomii primari (0,5 µm). Prezintă

un conţinut fin granular sub formă de reţea sau cristaloid. Conţin enzime ca: uratoxidază, peroxidază, catalază-enzima marker, implicate în metabolismul H2O2 (peroxidul de hidrogen). Uratoxidază împreună cu alte enzime intervin în formarea H2O2, iar catalaza descompune H2O2 care este toxic pentru celule.

MitocondriileReprezintă compartimentul celular unde are loc conversia energiei. Sunt

prezente în toate celulele cu respiraţie aerobă. Numărul lor variază de la un tip celular la altul, dar este relativ constant în cadrul aceluiaşi tip. Sunt foarte numeroase în celule musculare şi celulele epiteliilor glandulare. Astfel, în miocardocitele ventriculare, mitocondriile ocupă 35% din volumul citoplasmei, în celulele parietale ale glandelor fundice - 27% din volumul citoplasmei, în hepatocite 15-20%.

Totalitatea mitocondriilor dintr-o celulă constituie condriomul.Forma şi dimensiunile mitocondriilor variază în raport cu tipul celular,

dar şi cu starea funcţională a celulei, cu modificarea pH sau a echilibrului osmotic. La microscopul optic apar cu structură omogenă, sub formă de granule, bastonaşe, filamente, de unde şi denumirea lor de mitocondrii (gr. mitos -filament, chondrion - granulă). Frecvent mitocondriile au dimensiuni cuprinse între 0,2-0,7 µm grosime şi 1-7µ lungime sau mai mult. În hepatocite mitocondriile sunt mici, elipsoidale (0,5/3µm.); în nefrocitele din tubul contort

31

Page 32: Ceasul Molecular Al Vietii 1

proximal şi distal, în celulele pancreatice acinare, în fibrele musculare striate, mitocondriile sunt alungite sau filamentoase.

Mitocondriile sunt organite cu o structură foarte labilă, care se alterează uşor, de aceea fixarea trebuie făcută în fixatorii etiologici care conţin tetraoxid de osmiu (ac. osmic) şi bicromat de potasiu pentru microscopia optică, iar pentru microscopia electronică în fixatori ce conţin glutaraldehidă şi tetraoxid de osmiu, tamponaţi la pH fiziologic.

Pentru examenul mitocondriilor în microscopia optică se recomandă secţiuni prin ficat, rinichi, muşchi striat prelucrate după tehnici citologice (fixare în lichid Benoit, Champy) - colorare hematoxilină ferică, caz în care mitocondriile apar colorate în negru sau cu fucsina Altmann, colorate în roşu, fie tehnici citochimice (pentru evidenţierea enzimelor marker citocromoxidaza, succinat dehidrogenaza). Mitocondriile pot fi evidenţiate şi prin coloraţii vitale (pe celule vii) cu verde Janus.

În hepatocite, mitocondriile apar sub formă de granule negre dispersate în toată citoplasmă; în nefrocitele din tubul contort proximal şi distal al nefromului, mitocondriile sunt alungite, dispuse mai ales la polul bazal al celulelor.

Ultrastructura mitocondriei va fi exemplificată pe electronofotografii.Indiferent de formă mitocondriile au aceeaşi organizare ultrastructurală.

Ele sunt alcătuite dintr-o membrană mitocondrială externă, netedă şi o membrană mitocondrială internă, care trimite spre interiorul mitocondriei prelungiri lamelare sau tubulare numite creste mitocondriale. Membranele mitocondriale delimitează două compartimente distincte:

- un compartiment mitocondrial extern - cuprins între membrana mitocondrială externă şi cea internă; compartiment îngust, cu densitate electronică redusă, care se prelungeşte şi în axul crestelor mitocondriale;

- un compartiment mitocondrial intern mai larg, delimitat de membrana mitocondrială internă; el conţine matricea mitocondrială cu densitate electronică diferită în raport cu tipul celular şi starea funcţională a celulei.

Matricea conţine ADN şi ribozomi mitocondriali, precum şi granule cu densitatea electronică mare - depozite de Ca2+ - mitocondriile fiind implicate în captarea şi cedarea calciului ionic în cursul unor procese biologice ca: exocitoza, transmiterea sinoptică a impulsului nervos, contracţia musculară, etc.

Crestele mitocondriale, septate sau tubulare cu dimensiuni variate, măresc considerabil suprafaţa membranei mitocondriale interne. Există o strânsă corelaţie între numărul crestelor şi intensitatea consumului energetic; la miocardocitele ventriculare crestele mitocondriale sunt mult mai numeroase şi dispuse ordonat decât la alte tipuri de celule.

Prin colorarea negativă şi examinarea la microscopul electronic de înalt voltaj, la nivelul membranei mitocondriale au fost evidenţiate particule elementare (oxidozomi), de forma unor ciupercuţe dispuse la intervale regulate

32

Page 33: Ceasul Molecular Al Vietii 1

de 10 nm. O particulă elementară prezintă o piesă bazală un segment de legătură şi o extremitate globulară. Într-o mitocondrie, particulele elementare sunt de ordinul miilor sau al zecilor de mii (40.000-50.000 în mitocondria miocardocitului ventricular). Fiecare particulă elementară cuprinde sistemele enzimatice ale unui lanţ respirator complet.

Mitocondriile reprezintă sediul respiraţiei celulare, intervenind prin sistemele enzimatice în metabolizarea aerobă a glucidelor, lipidelor şi protidelor. Ele eliberează energia din substanţele de provenienţă exogenă (substanţe alimentare absorbite la nivel intestinal sub formă de monozaharide, acizi graşi, glicerol, aminoacizi) sau de provenienţă endogenă (produşi intermediari ai metabolismului glucidic, lipidic, protidic). Aceste substanţe sunt supuse reacţiilor de oxido-reducere în cadrul ciclului Krebs până la produşi finali nemetabolizabili (H2O, CO2) cu eliberarea totală a energiei.

Energia chimică eliberată treptat la nivel mitocondrial este utilizată pentru sinteza ATP-ului sau a altor compuşi fosfat macroergici, de unde apoi este eliberată prin hidroliză şi folosită de celule pentru diferite activităţi: contracţie musculară, conducerea şi transmiterea impulsului nervos, transport activ prin membrane, sinteze de orice fel, etc.

Organitele celulare nedelimitate de membraneDin această categorie menţionăm: ribozomii şi polizomii liberi sau ataşaţi

la reticul şi organitele formate din ansambluri de microtubuli.

RibozomiiRibozomii (granulele Palade sau granule de ribonucleoproteine) sunt

particule submicroscopice cu dimensiuni de 25-30 nm. Sunt prezenţi în toate celulele, dar sunt mai abundenţi în celulele tinere şi în acelea care sintetizează proteine de secreţie. Când se află în cantitate mare conferă bazofilie citoplasmei.

Au fost evidenţiaţi de G.E. Palade în celulele pancreatice acinare prin studii de microscopie electronică pe fracţia microzomală, urmate apoi de cercetări de citochimie, citoautoradiografie, biochimie, care au demonstrat conţinutul lor bogat în ARN, de unde şi numele de ribozomi (granule de ribonucleoproteine).

În stare funcţională ribozomii sunt asociaţi în polizomi (poliribozomi), care pot fi liberi în hialoplasmă sau ataşaţi la suprafaţa cisternelor RE, cu care formează RER (REG). Numărul ribozomilor într-un polizom este fix şi corelat cu mărimea moleculei proteice ce urmează a fi sintetizată, în polizomi, ribozomii sunt legaţi între ei printr-o moleculă filamentoasă de ARN-m, care trece printre subunitatea mică şi cea mare; tratarea polizomilor cu RN-ază determină disocierea lor în subunităţile din care se compun.

Fiecare ribozom (unitate ribozomală) este format din două subunităţi - mică şi mare, de forme şi dimensiuni diferite, având coeficient diferit de

33

Page 34: Ceasul Molecular Al Vietii 1

sedimentare (valoare S sau Svedberg). În funcţie de aceşti parametri se disting două feluri de ribozomi:

a) - ribozomi de tip 70 S, caracteristici procariotelor (bacterii şi alge albastre-verzi), formaţi dintr-o subunitate mică de 30 S şi o subunitate mare de 50 S; conţin 65% ARN-r şi au diametru de 14-24 nm.

b) - ribozomi de 80 S, caracteristici celulelor eucariote (plante şi animale), formaţi din subunitatea mică de 40 S şi subunitatea mare de 60 S; conţin 45% ARN-r; au un diametru de 20-30 nm.

Cele două subunităţi se menţin asociate într-o unitate ribozomală numai la o concentraţie optimă a Mg++ (0,001 M). Dacă această concentraţie creşte se formează dimeri sau polimeri, iar dacă concentraţia Mg++ scade, ribozomii se disociază în subunităţile sale corespunzătoare.

Pe lângă ARN, compoziţia chimică a ribozomilor include şi proteine care variază, în raport cu specia. Proteinele ribozomale au greutate moleculară mică (13.000-25.000) şi sunt bogate în aminoacizi ca: arginină, lizină, acid aspartic, acid glutamic.

Ribozomii reprezintă aparatul de sinteză al proteinelor. Polizomii liberi din hialoplasmă sunt implicaţi în sinteza proteinelor specifice care nu părăsesc celula, respectiv în sinteza proteinelor de structură şi a proteinelor enzirne care catalizează diferite reacţii ale metabolismului celular; polizomii ataşaţi cisternelor RE participă la sinteza proteinelor de secreţie „proteine de export”, care sunt eliminate din celulă prin exocitoză.

Organite citoplasmatice formate din ansambluri de microtubuliÎn această categorie se includ: centrozomul, cilii şi flagelii.

CentrozomulCentrozomul (centrul celular) este prezent în toate celulele care se divid

pe cale mitotică; este absent în celulele nervoase.În intercineză, centrozomul apare format din centrosferă şi centrioli, la

care se ataşează asterul când celula intră în diviziune.Centrosfera reprezintă o zonă densă de hialoplasmă de formă sferică sau

ovoidă, mult mai densă decât citoplasmă ambiantă; este situată în vecinătatea nucleului.

Asterul apare la începutul profazei; este format din microtubuli cu dispoziţie radială în raport cu centrosferă. La microscopul optic se prezintă ca ozonă filamentoasă a citoplasmei.

Centriolii în număr de doi, sunt localizaţi în centrosferă. La microscopul optic apar sub formă de granule sau bastonaşe scurte, dispuse perpendicular unul pe celălalt. La microscopul electronic centriolul se prezintă ca un microcilindru (0,15µm în diametru, 0,35 µm lungime).

Este format din 9 triplete de microtubuli. În tripletă microtubulii sunt indicaţi cu: A, B, C în raport cu poziţia lor faţă de axul centriolului. Tripletele

34

Page 35: Ceasul Molecular Al Vietii 1

sunt dispuse la periferia microcilindrului asemenea paletelor unei turbine. Tripletele sunt formate din microtubuli alipiţi (numai microtubulul A are 13 protofilamente, microtubulii B şi C au doar câte 10 protofilamente, deoarece microtubulii sunt concrescuţi: CBA). Tripletele sunt legate prin conectori periferici, iar de matricea axială printr-un sistem tip „spiţe de roată”.

La microtubulul C al fiecărei triplete se ataşează diferite formaţiuni anexe, electronodense - sateliţi şi lame alare. Sateliţii sau picioruşele bazale sunt structuri cilindrice cu capătul butonat; lamele alare sunt expansiuni lamelare cu contur triunghiular. La formaţiunile anexe se ancorează microtubuli.

La celulele ciliate şi flagelate, la baza cililor şi flagelilor se află structuri asemănătoare centriolilor, cunoscute sub numele de corpusculi bazali sau cinetozomi (kinetozomi); la aceştia sunt caracteristice lamele alare.

Centriolii au un rol deosebit în pregătirea şi desfăşurarea mitozei. Înainte de începutul profazei centriolii se duplică, iar cele două perechi de centrioli migrează la polii opuşi ai nucleului. Ei induc polimerizarea dimerilor de tubulină ce formează asterul şi fusul mitotic. Fusul mitotic se întinde de la un pol la altul între cele două perechi de centrioli şi devine vizibil după dezasamblarea cisternei perinucleare. Este format din două categorii de microtubuli:

- unii se întind de la un pol la altul al fusului mitotic;- alţii se întind de la cinetocorul cromatidelor la polii fusului, legând

fiecare cromatidă a cromozomului metafazic de unui din poli; au rol în deplasarea cromozomilor (în anafază) spre polii fusului mitotic.

Pe lângă microtubuli, fusul mitotic mai cuprinde în structura sa microfilamente de actină şi miozină, iar la periferia sa, filamente intermediare.

În interfază, centrozomul (centrul celular) plasat de regulă în vecinătatea nucleului, controlează distribuţia organiteior în hialoplasmă şi polaritatea celulară. Centriolii acţionează ca organizatori dominanţi, care determină poziţia zonei dense pericentrionale (centrosferă).

Centrozomul constituie centrul formator al microtubulilor, care determină deplasarea intracelulară a diferitelor organite, poziţionarea lor, precum şi alte procese de motilitate celulară.

Cilii (kinocilii) şi flageliiSunt specializări celulare de suprafaţă şi reprezintă organite permanente

de mişcare. Au o largă răspândire în tot regnul animal, începând cu protozoarele şi sfârşind cu vertebratele superior organizate. Cilii şi flagelii sunt expansiuni citoplasmatice, delimitate de membrana celulară.

Structura cililor şi a flagelilor este relativ asemănătoare; flagelii sunt însă mai groşi şi mai lungi decât cilii şi prezintă fibrile suplimentare groase şi omogene (ex. coada spermatozoizilor are structură flagelară).

35

Page 36: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Organizarea ultrastructurală a ciluluiCilii au dimensiuni cuprinse între 0,2-0,5 µm grosime şi câţiva µm

lungime. Prezintă 3 părţi componente:- axonema sau filamentul axial - partea liberă a cilului- gr anului (corpusculul) bazal sau cinetozomul, situat în ectoplasmă, la

baza axonemei- rădăcina cilului, care pătrunde în citoplasmă (în endoplasmă).Organizarea ultrastructurală a axonemei poate fi examinată pe

electronofotografii. Este formată din 2 microtubuli centrali - dubleta centrală plasaţi în matricea axială, slab electronodensă. În jurul dubletei centrale se află o teacă matriceală fină. Microtubulii dubletei centrale (20 nm grosime) sunt plasaţi la distanţă de 10 nm şi constituiţi fiecare din 13 protofilamente formate din heterodimeri de tubulină. La periferia axonemei se află 9 dublete de microtubuli - dubletele periferice alcătuite în total din 23 de protofilamente, deoarece microtubulii sunt parţial concrescuţi (BA).

De pe microtubulul A al dubletelor periferice pornesc şiruri longitudinale de „braţe” prelungiri scurte orientate spre microtubulul B al dubletei vecine. Braţele sunt alcătuite din dineină - o proteină cu proprietăţi enzimatice asemănătoare miozinei. Ca şi miozina din fibrele musculare, hidrolizează ATP în prezenţa Ca++ eliberând energia necesară mişcării cilului, determinată de stabilirea reversibilă a unor legături transversale între microtubuli ce conferă motilitate cilului.

La nivelul joncţiunii cilului cu suprafaţa celulei există o zonă de tranziţie placa bazală cu densitate electronică mai mare decât matricea axonemei. La acest nivel se termină dubleta centrală şi numai dubletele periferice se continuă cu microtubulii A şi B ai tripletelor cinetozomului. De cele mai multe ori cinetozomii se prelungesc în endoplasmă cu filamente grupate în fascicule ce alcătuiesc rădăcina ciclului. Aceasta poate ajunge până în apropierea nucleului, având rol de ancorare a cilului în citoplasmă.

Organizare ultrastructurală a flageluluiFlagelul cuprinde în structura sa filamentul axial (axonema) la care se

ataşează în exterior un set de 9 fibrile groase, omogene cu densitate electronică foarte ridicată. Fiecare fibrilă este situată în dreptul unei dublete periferice având aceeaşi numărătoare; numărătoarea dubletelor periferice începe cu dubleta situată pe diametrul ce bisectează dubleta centrală. Grosimea fibrilelor externe este diferită; fibrilele 1, 5, 6 sunt mai voluminoase. Fibrilele 3, 8 dispar pe parcurs (către partea terminală a flagelului) fiind înlocuite de două coloane longitudinale.

Fibrilele groase asociate axonemei sunt înconjurate de o teacă fibroasă formată din fibrile circumferenţiale, care se fixează prin extremităţile lor în coloanele longitudinale ce reprezintă îngroşări ale tecii fibroase.

36

Page 37: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Fibrilele groase ca şi teaca circumferenţială dispar către extremitatea posterioară, flagelul fiind constituit numai din filamentul axial.

Cilii şi flagelii îndeplinesc diferite funcţii specifice tipului celular:- la celulele mobile asigură deplasarea celulelor în mediu lichid (ex.

protozoarele ciliate, flagelii spermatozoizilor majorităţii metazoarelor).- la celulele fixe, încadrate într-un epiteliu, mişcarea cililor provoacă

deplasarea fluidelor, sau a particulelor de la suprafaţa epiteliilor având rol în curăţirea suprafeţei epiteliilor, ex. epiteliul căilor respiratorii; de transport al ovocitelor în tubele uterine, etc.

NUCLEULNucleul (karyon) este componentul central al celulei şi reprezintă partea

cea mai specializată din celulă (gr. karyon = lat. nucleus = sâmbure). Nucleul conţine genomul - totalitatea genelor care reprezintă determinantele eredităţii. În raport cu specia, genomul este reprezentat de un număr diferit de molecule mari de ADN, în structura cărora este codificată informaţia genetică, respectiv programul tuturor proceselor vitale, care se desfăşoară în celulă. În celula animală, celulă eucariotă, nucleul se prezintă diferit în funcţie de fazele ciclului celular. În interfază (intervalul dintre două diviziuni succesive) nucleul reprezintă un compartiment intracelular distinct, separat de restul citoplasmei prin membrana nucleară. In această fază a ciclului celular, nucleul este constituit din membrana nucleară, care delimitează nucleoplasma (karioplasma), ce conţine cromatina nucleara şi unul sau mai mulţi nucleoli.

Există mari variaţii în ceea ce priveşte numărul, forma şi dimensiunile nucleilor în funcţie de tipul celular. Marea majoritate a tipurilor celulare au un singur nucleu (celule uninucleate sau mononucleate); există însă şi celule binucleate, polinucleate sau anucleate. Forma nucleului la multe tipuri celulare este corelată cu forma generală a celulei, astfel: nucleii sunt sferici la celulele izodiametrice, ovoizi la celulele prismatice, alungiţi sub formă de bastonaş în celulele la care lungimea este dimensiunea dominantă sau de diverse alte forme (lobat, incizat, ramificat, reniform, segmentat sau moniliform). Toate aceste aspecte raportate la numărul, forma şi dimensiunea nucleilor pot fi urmărite pe parcurs în cadrul prezentării diferitelor tipuri de ţesuturi.

Acum ne vom referi doar la organizarea ultrastructurală a componentelor nucleului interfazic aşa cum apare pe electronofotografii.

Membrana nucleară este dublă şi reprezintă o parte specializată a reticulului endoplasmic, fiind constituită din cisterne aplatizate dispuse într-un singur plan la periferia conţinutului nuclear (nucleoplasmei), de unde şi numele de cisterna perinucleară. Aceasta este formată din membrana nucleară externă şi membrana nucleară internă, care delimitează spatul intracisternal perinuclear.

Membrana externă a cisternei perinucleare (membrana nucleară externă) se continuă cu membranele RE, iar spaţiul intracisternal perinuclear comunică cu spaţiile reţelei RE. Membrana nucleară externă are o structură similară cu

37

Page 38: Ceasul Molecular Al Vietii 1

membranele RE; ca şi acestea, poate prezenta polizomi ataşaţi, implicaţi în sinteza de proteine ce vor segrega în spaţiul intracisternal perinuclear.

Membrana internă a cisternei perinucleare (membrana nucleară internă) este diferită de cea externă. Ea se sprijină pe o structură lamelară, numită lamina densă (lamina fibroasă) ce asigură menţinerea formei nucleului. Lamina densă, de grosime diferită (mai groasă la nucleii mari) se intercalează între membrana nucleară internă şi cromatina nucleară şi are o electronodensitate mai redusă decât primele două. În regiunea porilor nucleari lamina densă se continuă cu materialul inelar al porului.

Cisterna perinucleară este fenestrată; fiecare minusculă fereastră, numită por nuclear, are un diametru de aproximativ 80 nm. Porii nucleari cu structură complexă sunt delimitaţi de formaţiuni inelare numite annuli sau „complexul por”. Porii sunt acoperiţi de o diafragmă (componentă a „complexului por”), fapt pentru care ei se disting mai greu pe faţa citoplasmatică a membranei nucleare, fiind mai evidenţi pe faţa nucleară a membranei nucleare interne. Prin porii nucleari se realizează schimburile, în ambele sensurile unor macromolecule sau ansambluri macromoleculare. Numărul porilor pe unitatea de suprafaţă a învelişului nuclear este direct corelat cu intensitatea acestor schimburi.

Cisterna perinucleară nu are o existenţă permanentă; ea se dezorganizează spre sfârşitul fiecărui ciclu celular, odată cu declanşarea mitozei (la sfârşitul profazei) şi se reface către sfârşitul mitozei, (la sfârşitul telofazei), din cisternele RE dispersate în citoplasmă.

Cromatina nuclearăLa nucleii interfazici cromatina nucleară se prezintă sub formă de

eucromatină şi heterocromatină (fig. 56, 57).Eucromatină = cromatina bună, (gr. eu = element de compunere cu

semnificaţia, bun, bine) este cromatina laxă, cu electronodensitate redusă,dispersată dezordonat în carioplasmă.

Este constituită din filamente fine care aparent formează o reţea. Ea reprezintă zonele despiralizate ale cromozomilor la nivelul cărora are loc transcrierea informaţiei genetice. Eucromatină caracterizează nucleii luminoşi, veziculoşi, activi din punct de vedre metabolic.

Heterocromatină (gr. heteros = altul, diferit) altă cromatina, cromatina densă, cu electronodensitate mult mai mare. Este localizată de regulă lângă membrana nucleară sau în jurul nucleolilor, şi lipseşte în dreptul porilor nucleari. Heterocromatină reprezintă segmentele condensate ale cromozomilor neimplicate în transcriere. Pe preparatele histologice heterocromatină se prezintă sub formă de particule relativ, dense de formă şi mărime variabilă, care se colorează intens cu coloranţii bazici. Heterocromatină caracterizează nucleii hipercromatici mai puţin activi, iar în cazul celulelor degenerate în care

38

Page 39: Ceasul Molecular Al Vietii 1

transcrierea se apropie de un punct mort - proces numit picnoză, heterocromatină confluează în mase dense ce caracterizează nucleii picnotici.

Heterocromatină se poate transforma în eucromatină şi invers în raport cu starea funcţională a celulei, aşa că mărimea şi distribuţia particulelor de heterocromatină se poate schimba în timp, din moment ce în funcţie de metabolismul celular, alte segmente ale cromatinei (ale cromozomilor interfazici) devin accesibile transcrierii.

NucleolulSe prezintă ca un corpuscul distinct numai în nucleii interfazici. Aspectul

morfologic, mărimea, numărul şi poziţia nucleolilor în karioplasmă diferă în raport cu tipul celular şi cu activitatea metabolică a celulei. Numărul nucleolilor este de regulă corelat cu gradul de poliploidie a nucleului (un nucleol pentru fiecare set haploid de cromozomi). Aspectul morfologic şi mărimea nucleolilor reflectă intensitatea producţiei de ribozomi şi deci intensitatea sintezei de proteine destinate creşterii celulare sau secreţiei. Poziţia nucleolilor în karioplasmă exprimă relaţiile de schimb cu citoplasmă la nivelul porilor nucleari; când schimburile sunt intense nucleolii sunt lipiţi de membrana nucleară. Toate aceste aspecte pot fi urmărite pe parcurs la diferite tipuri de celule, în cadrul studierii ţesuturilor. Pe preparatele histologice nucleolii se colorează cu coloranţii bazici ca şi cromatina nucleară, iar selectiv se colorează cu coloranţii care evidenţiază ARN (cu pironina în roşu).

Din punct de vedere ultrastructural nucleolul cuprinde două componente distuincte: pars amorpha, cu electronodensitate moderată, traversată de coroane electronodense, dispuse în reţea, care constituie nucleolonema. Nucleolonema cu aspect granulo-filamentos cuprinde pars granulosa şi pars fibrosa. La periferia nucleolului, mai ales, se află pars cromozoma.

39

Page 40: Ceasul Molecular Al Vietii 1

CROMATINA ŞI CROMOZOMII

Cromatina şi cromozomii reprezintă adaptări ale materialului genetic la funcţiile de transcripţie şi segregare.

Materialul genetic interfazic se numeşte CROMATINA. În timpul diviziunilor nucleare, din cromatină se organizează structuri distincte, numite CROMOZOMI.

Cromatina reflectă forma relaxată a materialului genetic, când are loc curgerea (transmiterea) informaţiei genetice din ADN într-un tip de ARN. Cromozomii reprezintă forma condensată a materialului genetic, sub care are loc transmiterea informaţiei genetice de la o celulă la alta.

Fiind expresia celulară a informaţiei genetice, cromatina şi cromozomii sunt alcătuiţi din ADN, ARN, proteine cromozomiale histonice şi nonhistonice, ioni de Ca2+, Mg2+, glucide şi lipide.

CROMOZOMII METAFAZICI

Cromozomii sunt corpusculi cromatici, de natură nucleoproteică, specializaţi pentru funcţiile de depozitare şi transmitere a informaţiei genetice înscrisă în succesiunea bazelor azotate din ADN.

În limba greacă = chroma = coloratsoma = corp

Sunt vizibili microscopic doar în timpul diviziunilor celulare, procesele de condensare şi spiralizare fiind maxime în metafază şi permiţând studierea morfologiei cromozomilor.

Numărul cromozomilor variază de la o specie la alta, dar este constant în celulele unui organism.

Cantitatea de material genetic este mai mare la eucariote şi este distribuită într-un anumit număr de cromozomi, de dimensiuni diferite şi cu morfologie caracteristică. La om, celule somatice sunt diploide (2n) spre deosebire de celulele sexuale (gameţii) care sunt celule haploide (n).

Fiecare celulă somatică umană conţine în nucleu 2 copii pentru fiecare cromozom: una moştenită de la mamă şi una de la tată. Cromozomii matern şi patern dintr-o pereche sunt numiţi CROMOZOMI OMOLOGI. Cromozomii omologi se caracterizează prin aceeaşi lungime, aceeaşi formă şi structură.

Cromozomii unei celule sunt de 2 tipuri: autozomi şi cromozomi de sex sau gonozomi. Cromozomii autozomi sunt notaţi convenţional cu cifre (arabe), iar cromozomii de sex cu „X” şi „Y”. La bărbaţi, cromozomii X şi Y sunt neomologi; ei se numesc HETEROZOMI (cromozomul X provine de la mamă şi cromozomul Y de la tată).

40

Page 41: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Fiecare celulă sexuală umană prezintă un număr HAPLOID de cromozomi notat cu „n”, iar fiecare celulă somatică prezintă un număr dublu de cromozomi DIPLOID, notat cu „2n”.

Astfel, în celulele sexuale se găsesc 22 de cromozomi autozomi şi un cromozom de sex.

Într-o celulă somatică se găsesc 44 de cromozomi autozomi şi 2 cromozomi de sex, deci 23 perechi de cromozomi.

Mărimea cromozomilor variază cu specia, lungimea poate fi între 1-25µ, iar grosimea 0,1-2 µ. Lungimea cromozomului este proporţională cu numărul de gene pe care le conţine. Dimensiunile pot fi modificate de temperatură sau de tratarea cu anumite substanţe ( de ex, colchicina).

STRUCTURA CROMOZOMULUICromozomul metafazic este alcătuit din:• două cromatide identice;• centromer;• constrincţie primară;• telomere.

Structura cromozomului metafazic

CROMATIDAReprezintă unitatea morfologică şi funcţională a cromozomului.

Cromozomul metafazic prezintă 2 cromatide identice numite CROMATIDE SURORI. Sunt unite între ele printr-un centromer până la sfârşitul metafazei mitotice şi metafazei II meiotice.

CENTROMERULEste structura care împarte transversal cromozomul în 2 braţe: braţul scurt

(notat cu p) şi braţul lung (notat cu q). Orientarea cromozomilor în cariotip se face cu braţul „p” în sus şi „q” în jos.

41

Page 42: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Centromerul are rol important în diviziune asigurând prin mitoză distribuţia egală a fiecărui cromozom, de la celula mamă la celulele fiice. Poziţia lui este fixă pentru fiecare cromozom şi la nivelul lui se găseşte ADN satelit noninformaţional şi netrascriptibil precum şi proteine.

Regiunea centromerică a cromozomului este formată din constricţia primară a cromatidelor surori şi o pereche de KINETOCORI. Aceştia reprezintă situsurile de ancorare ale microtubulilor fusului de diviziune. Complexul centromer-kinetocor reprezintă o regiune ultraspecializată structural şi funcţional, ce integrează semnalele reglatorii necesare pentru iniţierea condensării cromozomilor, progresia mitozei şi pentru menţinerea coeziunii cromatidelor surori până la începutul anafazei.

Kinetocorii sunt structuri tranzitorii care se formează la sfârşitul profazei, funcţionează în metafază şi anafază şi se dezasamblează în telofază.

Kinetocorul are o structură de disc trilaminar format parţial din fibre de cromatină superior organizate la care se ataşează microtubuli kinetocorici care aliniază cromozomii în planul ecuatorial al fusului de diviziune.

Fiecare cromozom este menţinut în tensiune în placa metafazică de perechile de kinetocori şi de microtubulii asociaţi, ataşaţi la polii opuşi ai fusului de difuziune.

Unii cromozomi prezintă regiuni îngustate numite constricţii secundare – notate convenţional „h”. Constricţii secundare se găsesc la cromozomii acrocentrici din grupele D şi G ale cariotipului şi pe braţele lungi, în apropierea centromerului, la cromozomii 1, 9 şi 16.

Ele reprezintă segmente nespiralate de cromatină.Cromozomii 13, 14, 15, 21, 22 – prezintă constricţii secundare pe braţul

scurt (ele separă sateliţii de braţele scurte).La nivelul constricţiilor secundare se organizează nucleolii de unde şi

numele de organizatori nucleolari, atribuit acestor regiuni.TELOMERULPorţiunile distale ale braţelor cromozomului poartă numele de

TELOMER.În limba greacă telos = terminaţie, capăt

meros = segment, parteLungimea telomerelor este caracteristică speciei. La om = 5-20 kb

(kilobaze; 1 kb = 1000 perechi de baze). Au rol în menţinerea stabilităţii cromozomiale, pierderea lor ducând la instabilitate cromozomială şi formarea cromozomilor dicentrici.

Telomerele sunt frecvent asociate cu învelişul nuclear şi această interacţiune joacă un rol important în organizarea cromatinei şi facilitează iniţierea împerecherii cromozomilor omologi în meioză.

Telomerul, porţiunea terminală a cromozomului eucariot, îndeplineşte 3 funcţii:

42

Page 43: Ceasul Molecular Al Vietii 1

1) în organizarea cromatinei şi facilitarea împerecherii cromozomilor în meioză;

2) funcţionează ca o capsulă internă, împiedicând eventuale rearanjamente cromozomiale;

3) în replicarea cromozomului.Menţinerea capetelor cromozomilor este realizată prin sinteza „de novo”

de către o telomerază care sintetizează secvenţe telomerice pe matriţă de ADN sintetizat „de novo”.

Telomeraza are rol în:- menţinerea lungimii cromozomului;- repararea lui, capetele rupte, instabile prin diferite mecanisme sunt

reparate spontan prin dobândirea de noi telomere.

SATELIŢIIÎn limba latină satelos = însoţitor.Sateliţii reprezintă mase sferice, mici, de material cromatic, care se leagă

de capetele distale ale braţelor scurte ale cromozomilor prin intermediul constricţiilor secundare.

Sunt prezenţi la nivelul braţelor scurte ale cromozomilor acrocentrici 13, 14, 15, 21, şi 22.

Mărimea sateliţilor este variabilă. Sateliţi mari au fost semnalaţi la persoane cu sdr. Down, sdr. Marfan / anormalităţi sexuale.

Regiunile satelitice ale cromozomilor au tendinţa de a se asocia cu nucleolul rezultând asociaţii satelitice ale mai multor cromozomi acrocentrici. Aceşti cromozomi sunt predispuşi la NONDISJUNCŢIE şi TRANSLOCAŢIE.

Frecvenţa asociaţiilor satelitice este influenţată de vârstă, sex şi de anormalităţi sexuale.

Au fost observate în avorturile spontane, în bolile genetice determinate de aneuploidii.

TIPURI DE CROMOZOMI

După poziţia centromerului s-au descris următoarele tipuri morfologice:• METACENTRICI (M) - centromerul este situat median;

- braţele cromozomiale sunt aproximativ egale.• SUBMETACENTRICI (SM)- centromerul este situat submedian;- cele 2 braţe au lungimi diferite („p” mai scurt decât „q”).• ACROCENTRICI (A)- centromerul este situat aproape terminal;- un braţ cromozomial este foarte lung şi unul foarte scurt („p” foarte

scurt şi „q” lung);- toţi prezintă sateliţi pe braţul „p” şi constricţii secundare.

43

Page 44: Ceasul Molecular Al Vietii 1

• TELOCENTRICI- centromerul este situat terminal;- au doar un braţ, braţul „q”;- nu sunt prezenţi în cariotipul uman;- există la şoarece, şobolan.

Tipuri morfologice de cromozomi

GENOMUL

Reprezintă ansamblul secvenţelor de ADN ale unei specii sau al unui individ. Termenul a fost introdus în anul 1920 de către Winkler.

Mărimea genomului uman = 3,2 Gb (gigabaze = miliarde de baze).Alte exemple:Bacterii - Escherichia coli – 4000 kb (lungimea ADN = 1,36 mm) - Mycoplasma hominis = 760 kb (0,26 mm)Drosophila melanogaster 165000 kb (56 mm)Homo sapiens – 2.900.000 kb (990 mm)Peştele – 102.000.000 kb (34700 mm)În celula eucariotă (şi implicit umană), genomul are 2 componente

principale: genomul nuclear şi genomul mitocondrial. Genomul nuclear conţine ADN organizat în secvenţe nucleotidice, cantonat la nivelul cromozomilor, împreună cu proteine histonice şi nehistonice.

TIPURI DE ADNÎn celula eucariotă există 2 tipuri de ADN:- Nuclear (cromozomial)- Mitocondial (citoplasmatic)Cantitatea de ADN nuclear nu este proporţională cu gradul de

evoluţie al speciei.Ex: sunt specii „puţin” evoluate – care au cantităţi mai mari de ADN

decât altele mai evoluate.• ariciul de mare (nevertebrat) – are cantitatea ADN nuclear de 50 ori mai

mare decât şoarecele

44

Page 45: Ceasul Molecular Al Vietii 1

• salamandra (batracieni + unii peşti) au cantitatea ADN nuclear de 50 ori mai mare decât omul.

Nu există concordanţă între cantitatea de ADN nuclear şi numărul de gene cu semnificaţie şi funcţie genetică.

• La om: în nucleu sunt 7,1109 perechi nucleotide. Dacă secvenţa de 1000 de nucleotide ar fi dimensiunea unei gene ar trebui să existe în celula umană 3.5000.000 gene.

Sunt însă 50.000 – 100.000 gene care controlează caracterele celulare.

ADN NEREPETITIV (UNIC)- format din secvenţe unice de nucleotide;- reprezintă 30-80% din totalul ADN celular;- constituie fondul de gene structurale, operatoare, reglatoare, ce asigură

sinteza de proteine şi controlul genetic al acesteia;- este localizat frecvent în regiunile eucromatice ale cromozomului.

ADN MODERAT REPETITIV- este format din secvenţe scurte de nucleotide dispersate în genom, care

se repetă de câteva sute de ori;- reprezintă între 17-40% din ADN celular;- lungimea unei secvenţe = 300-1000 pb;- aceste secvenţe sunt transcrise în ARN.

ADN înalt repetitiv (frecvent repetitiv)- format din secvenţe care se repetă de mii de ori;- lungimea unei secvenţe este foarte mică – 2-200 pb;- reprezintă între 3-10% din ADN celular;- aceste secvenţe nu sunt transcrise în ARN.

• Cantitatea de ADN repetitiv creşte odată cu creşterea cantităţii de ADN nuclear.

• Cantitatea de ADN repetitiv este mai mare la speciile evoluate (pe scara filogenetică).

• Între speciile îndepărtate filogenetic există un număr mic de secvenţe complementare şi numărul lor creşte în cazul speciilor înrudite filogenetic (de ex. între ADN-ul uman şi ADN-ul de şoarece există 25% secvenţe polinucleotidice complementare).

ADN MITOCONDRIAL- este extracromozomial, localizat în mitocondriile citoplasmatice;- are structură inelară, formă asemănătoare cromozomului bacterian

(procariot);- are masă moleculară mai mică decât cel cromozomial 60106;

45

Page 46: Ceasul Molecular Al Vietii 1

- are structură bicatenară;- rol: asigurarea sintezei de ARN capabil să codifice sinteza proteică la

nivel mitocondrial.Mitocondriile au genetica lor proprie, acesta fiind un argument în

favoarea eredităţii citplasmatice la animale.

GENA

Gena reprezintă un segment de cromozom (de ADN) care conţine codificată informaţia genetică care se transcrie într-o moleculă de ARNm şi este necesară sintezei unui polipeptid. Reprezintă o unitate informaţională care determină o anumită trăsătură ereditară (care se transmite de la părinţi la descendenţi). Termenul a fost introdus de geneticianul danez W. Johannsen în anul 1909.

Genele se găsesc localizate pe cromozomi, sub formă de pereche la organismele diploide şi sub formă simplă la cele haploide. La organismele diploide genele se găsesc sub formă alelomorfă, din cauză că tipul primar sau sălbatic al genei a suferit diferite mutaţii astfel încât gena se prezintă sub formă de alele care afectează acelaşi caracter.

Gena prezintă trei caracteristici fundamentale:1. reprezintă o unitate funcţională – deoarece prezenţa ei determină un

numit fenotip;Ex: gena ras+ produce ochi normali de culoare roşie la Drosophila

melanogaster, iar ras- este o alelă a sa ce determină ochii zmeurii (raspberry).2. unitate mutaţională – caracterizat de faptul că gena normală se poate

transforma prin mutaţii în gene alele, ceea ce duce la afectarea caracterului codificat de gena respectivă.

3. unitate de recombinare genetică – deoarece genele se pot transfera de pe un cromozom pe cromozomul omolog prin fenomenul de cross-over.

Localizarea genelor – genele sunt dispuse pe cromozomi, în mod liniar. Locul ocupat de o genă pe cromozom este denumit „locus” (la plura: loci).

Genele situate la nivelul cromozomilor autozomi se numesc gene autozomale.

Genele situate pe cromozomii sexuali (gonozomi) se numesc gene gonozomale.

Nomenclatura genelor – se utilizează simboluri, respectiv majuscule pentru caracterele dominante şi litere mici pentru cele recesive. Ulterior s-a introdus o notare reprezentată de 14 litere care semnifică caracterul afectat de gena respectivă (în limba latină/engleză). Genele recesive sunt notate cu litere mici, cele dominante încep cu majusculă şi continuă cu litere mici.

Semnul „+” – este utilizat pentru notarea caracterului normal, „sălbatic”.Semnul „–” – este utilizat pentru notarea genelor rezultate prin mutaţie.

46

Page 47: Ceasul Molecular Al Vietii 1

• Genele alele = reprezintă forme alternative ale unei gene situate în loci omologi şi care determină acelaşi caracter fenotipic.

Mutaţiile ce pot apărea la nivelul unei gene determină variaţii ale caracterului codificat de gena respectivă. Aceste gene se numesc gene polialele sau alele multiple.

Termenul de HOMOZIGOT = defineşte un genotip caracterizat prin 2 alele identice (NN; DD).

Termenul HETEROZIGOT = defineşte un genotip în care cele 2 alele situate pe acelaşi locus sunt diferite (ND).

Gena dominantă – este o genă care se manifestă fenotipic în cazul unui genotip heterozigot; se notează cu majuscule (ex: AA).

Gena recesivă – este o genă care se manifestă fenotipic doar în cazul unui genotip homozigot; se notează cu literă mică (aa).

Genele codominante – sunt gene care se manifestă fenotipic la heterozigoţi, în acelaşi timp şi cu aceeaşi intensitate.

Ex: grupa de sânge AB este determinată de genele codominante A şi B.Fenomenul prin care genele vecine, nealele, situate pe acelaşi cromozom

nu se separă în meioză şi au tendinţa de a se transmite înlănţuit, împreună la descendenţi poartă numele de înlănţuire genică sau „linkage”.

Termenul de HAPLOTIP defineşte un grup de gene care se transmit împreună.

CICLUL CELULAR

Totalitatea evenimentelor citogenetice şi moleculare care au loc într-o celulă din momentul apariţiei ei şi până în momentul diviziunii ei în două celule fiice reprezintă ciclul celular.

Diviziunea celulară reprezintă o succesiune de fenomene prin care o celulă îşi replică materialul genetic, îl împarte în mod egal şi îl transmite celulelor fiice, asigurându-se astfel transmiterea informaţiei genetice de la o generaţie la alta.

Pentru ca o celulă eucariotă să dea naştere la două celule fiice identice din punct de vedere genetic, ADN fiecărui cromozom trebuie replicat cu exactitate şi cromozomii trebuie să se separeu corect în timpul mitozei. În acelaşi timp, este necesară dublarea masei celulare, a organitelor intracitoplasmatice şi a citoscheletului.

Durata ciclului celular este variabilă şi depinde de specie, tipul de ţesut, gradul de maturitate celulară sau temperatură.

Drojdiile (organisme unicelulare) se divid la fiecare 90-120 min. în condiţii optime, celulele intestinale (enterocitele) la 12 ore, celulele hepatice ale mamiferelor doar o dată pe an, iar celulele din măduvă hematogenă au durata ciclului celular de 24 de ore.

47

Page 48: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Succesiunea proceselor ciclului celular se desfăşoară pe parcursul a două faze: interfaza şi diviziunea (mitoza / meioza).

INTERFAZA

Reprezintă faza ciclului celular cuprinsă între două diviziuni succesive (de la sfârşitul unei diviziuni celulare şi până la începutul diviziunii următoare).

Termenul provine din limba latină, unde „inter” = între şi din limba greacă unde „phasis” = fază.

La microscopul optic, această fază pare că nu ar prezenta manifestări deosebite, în realitate, însă, celula îşi măreşte dimensiunile, are loc replicarea ADN-ului şi diviziunea centrozomului.

Aspectul celulei interfazice

În funcţie de particularitatea proceselor ce se desfăşoară în timpul interfazei, aceasta a fost împărţită în trei stadii: G1, S şi G2.

STADIUL „G1”. (G = gap) = gol în sinteza ADNCuprinde perioada între sfârşitul unei mitoze şi începutul fazei S, de

biosinteză a ADN-ului.În această fază se sintetizează ARN şi proteine, în special cele care

participă la sinteza de ADN, la asamblarea nucleozomilor şi coeziunea moleculelor fiice de ADN.

Iniţial, volumul celulei este redus, apoi creşte treptat şi se înregistrează astfel prima creştere celulară.

Datorită acestui fenomen, stadiul G1 se numeşte şi „prima perioadă de creştere celulară” (Growth 1). Raportat la sinteza ADN-ului se numeşte şi „perioada presintetică”.

În această perioadă cromozomii sunt monocromatidici, reprezentaţi de fibrele nucleozomale sau fibrele primare de cromatină cu diametru de 10-11 nm. Unitatea structurală fundamentală a fibrelor de cromatină este NUCLEOZOMUL.

48

Page 49: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Fazele ciclului celular (după Junqueira)

49

Page 50: Ceasul Molecular Al Vietii 1

În unele zone ale nucleului, fibrele de cromatină sunt mai dense, mai concentrate, formând nişte mase vizibile în microscopia optică şi numite CROMOCENTRI.

Stadiul G1 are perioadă variabilă, putând reprezenta între 30-50% din durata interfazei. La mamifere este cuprins între 5-10 ore. Este mai scurt în cazul celulelor embrionare ( 6 ore) şi mai lung în cazul celulelor adulte, mature ( 12 ore).

Celulele care şi-au terminat diferenţierea sunt oprite într-un stadiu G1

„liniştit” numit stadiu G0 (ex: neuronii).Stadiul G1 este caracteristic celulelor antrenate în ciclul celular. În stadiul

G0 metabolismul celular este funcţional, dar nu se modifică volumul celulei, datorită echilibrului dintre procesele de sinteză şi cele de degradare. Chiar dacă pot apărea modificări ale sintezelor proteice, statusul ADN-ului este acelaşi ca în celulele stadiului G1.

STADIUL „S”„S” (synthesis) cuprinde perioada în care are loc sinteza ADN-ului

(replicarea lui), esenţială pentru diviziunea celulară.Procesele biochimice ce au loc în această perioadă sunt: biosinteza ADN

şi a proteinelor histonice, asamblarea moleculelor nou formate de ADN, în structuri nucleozomale şi coeziunea fibrelor nucleozomale surori sau a cromatidelor surori.

Lipsa coeziunii între fibrele nucleozomale surori duce la dispersarea lor şi repartizarea inegală în celulele fiice.

Astfel, la sfârşitul acestui stadiu fiecare cromozom are o structură bicromatidică (2 cromatide surori unite printr-un centromer).

La sfârşitul stadiului S are loc duplicarea centrozomului, cei 2 centrozomi fii rămânând în vecinătatea nucleului până la începutul primei faze a mitozei.

Durata acestui stadiu este de 35-45% din durata interfazei (aproximativ 6-8 ore).

STADIUL „G2”Cuprinde perioada de la încheierea sinteze de ADN şi până la debutul

mitozei.Se caracterizează prin continuarea sintezelor ARN şi a sintezelor proteice

şi combinarea ADN-ului sintetizat „de novo” cu proteinele cromozomiale.Datorită fenomenelor acestea de creştere celulară, acest stadiu este

denumit „a doua etapă de creştere celulară”. Raportat la sinteza ADN-ului este denumit şi „perioada postsintetică”.

În faza G2 cromozomii au structură bicromatidică, dar sunt despiralizaţi. La sfârşitul acestei faze se sintetizează „factorul de declanşare al mitozei” (MPF) cu rol în condensarea fibrelor de cromatină în cromozomi.

50

Page 51: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Durata stadiului G2 este de 10-20% din durata interfazei (3-4 ore).În ciclul celular există puncte de control, ale trecerii de la o fază la alta:

unul la limita dintre stadiile G1 şi S, denumit START şi care odată depăşit permite celulelor parcurgerea celorlalte etape ale ciclului celular. Un al doilea punct de control se găseşte la limita dintre stadiul „G2” şi mitoză.

Durata ciclului celular la nivelul celulelor umane este de 20-25 ore.

MITOZA

Mitoza sau diviziunea mitotică reprezintă faza ciclului celular în urma căreia rezultă două celule fiice cu acelaşi număr de cromozomi ca şi celula mamă.

Se mai numeşte şi diviziune ecvaţională.Este tipul de diviziune specifică celulelor somatice ale organismelor

eucariote.Termenul provine din limba greacă, în care „mitos” = filament şi „osis” =

condiţie.Mitoza reprezintă cea mai scurtă fază a ciclului celular şi are o durată de

aproximativ o oră. În timpul ei toate procesele de sinteză sunt stopate.În timpul mitozei au loc două fenomene, de obicei succesive:- diviziunea nucleului sau CARIOKINEZA- diviziunea citoplasmei sau CITOKINEZADin punct de vedere citologic, se desfăşoară în cinci faze continue sau

succesive: profaza, prometafaza, metafaza, anafaza, telofaza.

PROFAZA – durează 10-15 minute.Se caracterizează prin următoarele fenomene:- în profaza timpurie: sfârşitul fazei G2 este marcat de condensarea

cromatinei şi individualizarea cromozomilor ca filamente lungi şi subţiri asociate ca un ghem;

- condensarea continuă pe toată durata profazei ducând la apariţia unor cromozomi mai scurţi şi groşi, ce pot fi separaţi mai uşor în timpul mitozei.

- fiecare cromozom are o structură bicromatidică, fiind format din 2 cromatide unite pe toată lungimea lor prin intermediul unor proteine.

- fiecare cromatidă conţine o secvenţă ADN specifică, cunoscută ca un centromer necesar separării cromatidelor (segregării cromozomilor);

- în profaza târzie la nivelul cromozomilor apar kinetocorii;- cei 2 centrozomi formaţi în timpul fazei „S” se separă şi migrează în

direcţii opuse (cu 1800) delimitând polii fusului de diviziune;- fusul de diviziune se formează spre sfârşitul profazei din microtubulii

citoplasmatici ce aparţin scheletului celular care se dezasamblează;- cei 2 centromeri participă la organizarea microtubulilor care au

interacţionat şi formează fusul de diviziune / fusul mitotic;

51

Page 52: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Fazele mitozei – schemă (după Junqueira)

Fazele mitozei – aspecte observate la microscopul electronic (după Junqueira)

52

Page 53: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Fazele mitozei – aspecte microscopice observate în culturi de celule(după Junqueira)

53

Page 54: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Fusul mitotic este alcătuit din 3 tipuri de fibre:- fibre astrale – scurte şi care se dezvoltă în exteriorul fusului;- fibre polare – care pornesc de la centrozom şi se orientează către

interiorul fusului;- fibre kinetocorice – care se vor ataşa centromerilor cromozomilor.Fusul mitotic este o structură bipolară a citoscheletului a cărui prezenţă

este tranzitorie. El are rol în segregarea cromozomilor.

PROMETAFAZA- debutează brusc cu dezorganizarea membranei nucleare care formează

vezicule, ce rămân în vecinătatea fusului de diviziune;- fusul de diviziune care s-a format în afara nucleului, intră în zona

acestuia;- kinetocorii (complexe proteice specializate) de la nivelul fiecărui

centromer se ataşează la microtubulii fusului de diviziune;- microtubulii kinetocorici cresc în direcţii opuse de la cele două

cromatide şi exercită o tensiune asupra comozomilor care sunt „aruncaţi” într-o mişcare agitată;

- ataşarea cromozomilor la filamentele fusului determină o mişcare activă, convergentă a cromozomilor.

Fusul de diviziune – aspect electrono-microscopic(după Junqueira)

54

Page 55: Ceasul Molecular Al Vietii 1

METAFAZA- se caracterizează prin condensarea maximă a cromatinei, astfel încât

cromatidele surori apar individualizate şi aşezate paralel;- cromozomii sunt aliniaţi în zona ecuatorială a fusului de diviziune

formând PLACA ECUATORIALĂ METAFAZICĂ:- fiecare cromozom este ţinut în tensiune de către kinetocori şi

microtubulii asociaţi;- ei se aranjează astfel încât o cromatidă este orientată către un pol al

fusului de diviziune şi cealaltă cromatidă către polul opus;- această aşezare permite împărţirea corectă a cromatidelor între celulele

fiice;Cromozomii de la nivelul plăcii ecuatoriale au mişcări oscilatorii către cei

2 poli ai fusului de diviziune. Dacă unul din kinetocorii ataşaţi centromerului este îndepărtat artificial prin iradiere lase, întreg cromozomul va migra spre polul la care rămâne ataşat prin celălalt kinetocor.

ANAFAZA – durează câteva minute:- se caracterizează prin separarea cromatidelor surori, care vor migra către

cei doi poli ai fusului de diviziune, deci către cei 2 poli ai celulei;- viteza lor de deplasarea este de 1µm/minut;- cromozomii din anafază sunt MONOCROMATIDICI şi suferă procese

de decondensare şi creştere în lungime;- cromozomii se apropie de polii fusului de diviziune datorită scurtării

fibrelor kinetocorice;- polii fusului de diviziune se îndepărtează unul de altul datorită alungirii

fibrelor polare;Această fază este responsabilă de segregarea cromozomilor

monocromatidici.

TELOFAZA- se caracterizează prin procese inverse celor din profază;- cromatidele ajung la polii fusului de diviziune şi dispar microtubulii

kinetocorici (fibrele kinetocorice);- învelişul nuclear se reasamblează în jurul fiecărui grup de cromozomi

monocromatidici pentru a forma 2 nuclei cu acelaşi număr de cromozomi ca şi celula mamă;

- cromatina condensată se despiralizează;- nucleolii reapar şi mitoza ia sfârşit.

55

Page 56: Ceasul Molecular Al Vietii 1

CITOKINEZA

Reprezintă procesul final al mitozei, caracterizat de diviziunea citoplasmei printr-un proces de clivaj. Uneori, acest proces poate începe din timpul anafazei.

Se realizează prin formarea unui inel contractil constituit din filamente de actină şi neozină, care se ataşează de faţa internă a membranei celulare şi strangulează citoplasma. Astfel, membrana celulară este atrasă către interior, formând o cută de clivaj (un şanţ de clivaj) situat în planul plăcii ecuatoriale. Acesta se adânceşte până întâlneşte resturile fusului de diviziune.

Această punte se numeşte corpuscul central, poate persista o anumită perioadă şi, ulterior, se rupe determinând separarea celor două celule fiice şi distribuţia între acestea a membranei celulare, citoscheletului şi organitelor intracitoplasmatice.

MEIOZA

Meioza a fost descoperită în anul 1883 când s-a observat că ovulul fertilizat al unui vierme conţinea 4 cromozomi, în timp ce gameţii viermelui conţineau numai 2. Această descoperire a reprezentat primul moment când s-a înţeles că celulele sexuale (spermatozoizii şi ovulele) sunt haploide, adică au un singur set de cromozomi, deci o singură copie a informaţiei genetice, în timp ce celelalte celule ale corpului, inclusiv celulele liniei germinate care dau naştere la gameţi, sunt diploide, adică au două seturi de cromozomi, unul provenit de la mamă şi celălalt de la tată. Din această observaţie se poate uşor deduce faptul că spermatozoizii şi ovulele se formează printr-un tip special de diviziune celulară prin care numărul de cromozomi este înjumătăţit. Acest tip de diviziune celulară a fost denumit meioză (lb. greacă meios = reducere).

Aşadar, meioza este un proces extrem de specializat al diviziunii celulare prin care, dintr-o celulă diploidă, se formează celule sexuale haploide. Prin meioza se asigură „curgerea” informaţiei genetice de la o generaţie de indivizi la alta.

Reducerea numărului de cromozomi nu este întâmplătoare; cromozomii nu se împart haotic între celulele fiice. Pentru a înţelege cum se împart este necesar să se cunoască comportamentul cromozomilor omologi.

Cu excepţia cromozomilor de sex, pentru fiecare cromozom există două copii, una de provenienţă maternă şi cealaltă de provenienţa paternă. Cele două copii ale fiecărui cromozom au fost denumite cromozomi omologi. Cromozomii omologi nu sunt identici din punct de vedere genetic, ei purtând diferite variante pentru majoritatea genelor pe care le poartă.

În timpul meiozei, cromozomii omologi se unesc şi apoi se separă în aşa fel încât unul va migra într-o celulă şi celălalt în altă celulă.

56

Page 57: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Meioza se deosebeşte foarte mult de mitoză; ea constă din două diviziuni succesive cu o singură replicare a materialului genetic. Prima diviziune este reducţională, iar a doua este ecvaţională, adică o mitoză care, în general este asemănătoare mitozei somatice, dar de care se deosebeşte prin faptul că ea se desfăşoară în celule haploide şi nu este precedată de sinteză de ADN. În prima diviziune segregă cromozomii omologi replicaţi, adică un cromozom dintr-o pereche migrează spre un pol şi omologul său spre polul opus, iar în a doua diviziune segregă cromatidele în acelaşi mod.

Fiecare din cele două diviziuni se desfăşoară în patru faze: profază, metafază, anafază, telofază.

PRIMA DIVIZIUNE MEIOTICĂProfaza primei diviziuni (P-I) este cea mai complexă şi mai lungă fază a

diviziunii. P-I persistă foarte mult timp; ea poate fi măsurată în săptămâni, luni sau ani. La femeie, P-I persistă de la vârsta fetală de 12 - 16 săptămâni până la prima ovulaţie şi, după maturitatea sexuală, are o durată de 28 de zile.

Pe baza comportamentului cromozomilor, P-I a fost împărţită în cinci stadii: leptonem, zigonem, pachinem, diplonem şi diachineză.

În leptonem, deşi este format din două cromatide, fiecare cromozom apare ca un fir extrem de subţire de-a lungul căruia se observă regiuni condensate, denumite cromomere. Apariţia cromozomilor este consecinţa condensării lor, condensare ce continuă pe toată durata profazei - I. Prin condensare, cromozomii devin mai scurţi şi mai groşi.

În zigonem, cromozomii omologi încep să se împerecheze (să conjuge) pentru a forma bivalenţii. Conjugarea cromozomilor omologi începe de la nivelul telomerelor şi continuă spre centromer. Fiind diferiţi morfologic şi genetic în cea mai mare parte, heterozomii X şi Y se împerechează la nivelul regiunilor pseudoautozomale omoloage, localizate terminal pe braţul p al cromozomilor. Formarea bivalenţilor reprezintă cel mai important fenomen al meiozei, acest eveniment asigurând segregarea corectă a cromozomilor omologi între celulele fiice. Sinapsa dintre cromozomii omologi este realizată de un complex sinaptonemal care constă dintr-un miez proteic lung, alcătuit din trei benzi paralele, interconectate prin lanţuri subţiri aranjate în unghiuri drepte unele faţă de altele. Cromozomii împerecheaţi continuă să se scurteze, devenind mai groşi şi mai bine individualizaţi.

Împerecherea cromozomilor omologi în bivalenţi permite o recombinare genetică prin care un fragment dintr-o cromatidă maternă poate fi schimbat cu un fragment corespunzător din cromatidă paternă omoloagă. Acest proces, denumit crossing-over, este un factor important al meiozei; el asigură un nou aranjament al genelor pe cromozomi, generând o impresionantă variabilitate genomică şi, mai departe, o variabilitate fenotipică.

57

Page 58: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Reprezentarea schematică a stadiilor diviziunii meiotice

În pachinem, conjugarea cromozomilor omologi este atât de intimă încât, aparent, se realizează o reducere a numărului de cromozomi la jumătate, fiecare bivalent este observat microscopic ca o singură entitate. În acest stadiu de intimă conjugare, se poate produce fenomenul de crossing-over şi se continuă procesul de scurtare a bivalenţilor.

În diplonem, condensarea cromozomilor devine foarte pronunţată, iar bivalenţii apar formaţi din patru cromatide, de unde şi numele de tetradă cromatidică. Condensarea continuă procesul de scurtare a cromozomilor, forţând astfel repulsia cromozomilor omologi. Separarea începe la nivelul centromerilor şi continuă spre telomere. Dar ea nu este completă, cromozomii rămânând uniţi în anumite puncte denumite chiasme. Chiasmele pot fi definite ca regiuni în care cromatidele apar încrucişate şi se produc schimburi între cromatidele cromozomilor omologi.

Diachineza este ultimul stadiu al profazei I meiotice. În acest stadiu, contracţia cromozomilor forţează chiasmele să se deplaseze lateral în aşa fel încât omologii dintr-o pereche să rămână uniţi numai la capete. Bivalenţii adoptă configuraţii caracteristice, denumite configuraţii diachinetice.

58

Page 59: Ceasul Molecular Al Vietii 1

În diachineză, membrana nucleara se dezorganizează şi fusul de diviziune, care s-a format, intră în sfera nucleului.

Metafaza I se caracterizează prin dispunerea bivalenţilor în planul ecuatorial al fusului de diviziune, formând placa metafazică. În placă, bivalenţii sunt co-orientaţi. Astfel, un centromer al unui cromozom este orientat spre un pol al fusului, iar centromerul omologului său este orientat spre polul opus. Dispariţia ultimelor chiasme şi separarea completă a omologilor marchează sfârşitul metafazei I şi începutul anafazei I.

În anafaza I are loc disjuncţia cromozomilor omologi. Astfel, un cromozom dintr-o pereche va migra spre un pol al fusului, în timp ce omologul său va migra spre polul opus. Astfel, la fiecare pol al fusului ajunge un număr haploid de cromozomi.

Telofaza I se caracterizează prin reorganizarea membranei nucleare în jurul cromozomilor ajunşi la poli. Prin urmare, din prima diviziune meiotică rezultă doi nuclei haploizi. Cei doi nuclei haploizi, fără o replicare prealabilă a ADN, intră în a doua diviziune meiotică, care este o variantă a mitozei.

A DOUA DIVIZIUNE MEIOTICĂO foarte scurtă interfază separă prima diviziune meiotică de a a doua

diviziune meiotică. În unele cazuri nici nu există interfază; celulele din telofaza I trec direct în profaza II meiotică.

Profaza II se deosebeşte foarte mult de profaza I meiotică. Această fază are o durată foarte scurtă pentru că cromozomii sunt deja condensaţi. Se formează fusul de diviziune şi se dezorganizează membrana nucleară.

Metafaza II se caracterizează prin ordonarea cromozomilor în planul ecuatorial şi formarea plăcii metafazice.

Anafaza II. Separarea longitudinală a cromatidelor marchează începutul anafazei II. Cromozomii monocromatidici migrează spre polii fusului de diviziune.

În telofaza II, se organizează membrana nucleară în jurul cromozomilor ajunşi la poli.

Celulele rezultate din meioză sunt celule extrem de specializate, care nu mai suferă diviziuni ulterioare.

Spre deosebire de mitoză, în care toate celulele rezultate sunt identice, meioza generează celule diferite atât în ce priveşte mărimea cât şi în ce priveşte constituţia genetică.

Meioza este necesară pentru procesul sexual şi stă la baza spermatogenezei şi ovogenezei.

59

Page 60: Ceasul Molecular Al Vietii 1

GAMETOGENEZA ŞI FECUNDAŢIA

Procesul prin care celulele germinale sau gameţii se formează din celulele primordiale se numeşte gametogeneză. În specia umană modificările morfologice ale celulelor germinale se produc începând cu săptămâna a 3-a de viaţă intrauterină.

Atât ovogeneza cât şi spermatogeneza au la bază diviziunea reducţională sau meioza,prin care se produce reducerea cromozomilor, dintr-un set diploid devenind un set haploid. La femeie sunt 44 autosomi şi 2 gonosomi X, iar la bărbat 44 autosomi, un gonosom X şi unul Y. Prin diviziunea meiotică fiecare celulă sexuală va avea 22 autosomi şi un gonosom. Numărul diploid de cromozomi se reface în momentul fertilizării când ovulul se uneşte cu spermatozoidul.

OVOGENEZAÎn perioada embrionară, celulele germinale, derivate din epiteliul

germinativ, migrează către creasta genitală unde va lua naştere gonada. Diviziunea mitotică a ovogoniilor continuă până în săptămâna a 8-a sau a 10-a a vieţii intrauterine, apoi se reduce treptat şi încetează la naştere.

Ovogeneza

60

Page 61: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Dintr-o ovogonie s-a format un ovocit de gradul I numit ovocit primar. Maturarea ovocitului se face prin diviziune meiotică, a cărei profază începe înainte de naştere şi se menţine în această stare până ce foliculul ovarian devine matur la pubertate. În acest moment, ca răspuns la secreţia de LH hipofizar, se produce meioza în urma căreia rezultă două celule surori, fiecare cu 22 autosomi şi un gonosom. Cele două celule sunt de mărimi diferite. Una primeşte aproape toată citoplasmă de la celula mamă devenind ovocit de gradul II sau secundar, iar cealaltă este de dimensiuni reduse şi se numeşte primul globul polar. Acesta este eliminat în afara foliculului ovarian şi resorbit. Ovocitul de gradul II ia naştere în momentul producerii ovulaţiei. Urmează a doua diviziune de maturare, meiotică, din care rezultă tot două celule surori: una mare, ovocitul de gradul III sau ovocitul matur, apt pentru fecundaţie şi o celulă mai mică, al doilea globul polar care se distruge. Fiecare dintre aceste celule conţine un număr haploid de cromozomi. Se crede că în specia umană a doua diviziune de maturaţie se produce numai dacă ovulul este fertilizat.

SPERMATOGENEZA

Spermatogeneza este procesul de diferenţiere a spermatogoniilor in spermatozoizi. Toate stadiile spermatogenezei apar în tubii seminiferi din testiculele mature. La periferia tubilor se găsesc spermatogonii care se divid de mai multe ori mitotic, dând naştere la spermatocite primare. Spermatocitele primare sunt celule diploide (2n = 46 de cromozomi). Ele parcurg prima diviziune meiotică şi dau naştere la spermatocitele secundare care sunt celule haploide (n = 23 de cromozomi). Spermatocitele secundare parcurg a doua diviziune meiotică şi dau naştere la spermatide. Spermatidele se maturează, devenind spermatozoizi.

Spermatogeneza se desfăşoară în întregime în testicul şi are o durată de aproximativ 74 de zile. Formarea spermatocitelor primare din spermatogonii durează aproximativ 26 de zile. Prima diviziune meiotică durează 16 zile, a doua diviziune meiotică durează, de asemenea, 16 zile, iar maturarea spermatidelor se realizează tot în 16 zile.

Este un proces complex, determinat genetic, prin care celulele germinale primordiale masculine – spermatogoniile - se transformă în celule mature, apte pentru fecundaţie, respectiv în spermatozoizi.

Spermatogoniile iau naştere, în viaţa intrauterină, din gonocitele primare existente la nivelul gonadei de tip masculin. Până la sfârşitul săptămânii a 6-a de viaţă intrauterină, gonadele celor două sexe nu prezintă diferenţe morfologice, deşi sexul genetic este determinat. În săptămâna a 4-a apare creasta genitală datorită unei îngroşări a epiteliului celomic şi unei condensări a mezenchimului subjacent. Creasta genitală este colonizată în săptămâna a 5-a de gonocitele primare ce proliferează sub forma cordoanelor sexuale primare. La începutul

61

Page 62: Ceasul Molecular Al Vietii 1

săptămânii a 7-a apare diferenţierea gonadelor. Cordoanele sexuale primare se anastomozează şi sub impuls genetic şi hormonal devin cordoane testiculare. Acestea se separă de epiteliul celomic printr-un strat de ţesut conjunctiv care va forma albugineea testiculară.

În luna a 4-a, din cordoanele testiculare iau naştere tubii contorţi seminiferi, care rămân sub formă de cordoane pline. Tunelizarea se face ulterior, după naştere, posibil la pubertate. Cordoanele testiculare conţin două feluri de celule:

- gonocitele - care se vor transforma în spermatogonii în luna a 5-a de viaţă intrauterină;

- celule de origine celomică-care se vor transforma în celule Sertoli.Din mezenchimul pericordonal se vor forma celulele Leydig cu funcţie

endocrină. În evoluţia de la celula primară către celula matură se parcurg trei etape:

- etapa de multiplicare;- etapa de creştere;- etapa de maturaţie.Spermatogoniile provin direct din celulele primordiale (gonocite) şi au un

set de cromozomi 44+XY. Prin înmulţire dau naştere la spermatogonii de tip A şi de tip B (mai diferenţiate), cu acelaşi număr de cromozomi. La un moment dat spermatogoniile se transformă (prin diviziune şi creştere ) în spermatocite primare sau de gradul I , cu set cromozomial 44 XY.

Spermatogeneza

62

Page 63: Ceasul Molecular Al Vietii 1

În etapa de maturaţie au loc două diviziuni.În prima diviziune spermatocitele primare se transformă în spermatocite

secundare sau de gradul II, mai mici. Această diviziune - meiotică, reducţională - reduce la jumătate numărul de cromozomi, astfel că fiecare spermatocit primeşte un bagaj cromozomial 22 X şi 22 Y şi o cantitate egală de citoplasmă. Prima diviziune începe în viaţa intrauterină şi rămâne în stadiul de profază până la pubertate.

A doua diviziune este ecuaţională şi în urma ei rezultă celule cu acelaşi număr de cromozomi. Din fiecare spermatocit secundar rezultă câte două celule cu acelaşi bagaj cromozomial şi cantitate egală de citoplasmă. Aceste celule se numesc spermatide şi sunt în număr de patru. Acest fenomen se produce la pubertate.

Din spermatide, care se localizează în adânciturile membranelor Sertoli, iau naştere spermatozoizii, printr-o serie de modificări morfologice cunoscute sub numele de spermiogeneză. Funcţionalitatea normală a organelor accesorii are un rol important. Spermatozoizii care se extrag prin puncţie testiculară au mobilitate redusă şi nu au putere fecundantă. Ei îşi îmbunătăţesc calitatea în timpul trecerii prin epididim, datorită secreţiilor acestuia. De aici spermatozoizii sunt depozitaţi în coada epididimului şi în canalul deferent, unde îşi continuă perfecţionarea.

Veziculele seminale secretă un mucus bogat în glicoproteine şi glucide, care vor servi ca material nutritiv spermatozoizilor în trecere. Prostata secretă un lichid bogat în spermină, aminoacizi, peptone, săruri de K şi Na, Ca, care serveşte ca material nutritiv, trofic şi neutralizant pentru mediul vaginal acid.

FECUNDAŢIAEste procesul prin care cei 2 gameţi haploizi cu un număr de n

cromozomi (ovocitul şi spermia) fuzionează formând zigotul diploid cu un număr de 2n cromozomi. Acesta constituie punctul de plecare pentru un individ cu o zestre genetică nouă. Fecundaţia asigură astfel transmiterea genelor de la părinţi la urmaşi şi menţine constant numărul de cromozomi ai speciei. Este un proces complex, ce parcurge 4 etape:

1) contactul şi recunoaşterea dintre spermii şi ovocit;2) realizarea pătrunderii spermiei în ovocit (este un pas de control

cantitativ prin care doar o spermie poate pătrunde în ovocit, asigurându-se fecundaţia monospermică). Este foarte important - la om embrionii triploizi, tetraploizi nu sunt viabili;

3) fuzionarea materialului genetic, mai precis a celor 2 pronuclei ai gameţilor, restabilindu-se starea diploidă;

4) activarea metabolismului zigotului pentru începerea dezvoltării (ovocitul e capabil să activeze metabolismul spermiei şi invers).

63

Page 64: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Fecundaţia se produce în apropierea locului de eliberare a ovocitului, în 1/3 externă a trompei,adică în porţiunea ei ampulară (practic e posibilă în orice porţiune a trompei şi în lichidul peritoneal al spaţiului Douglas).

Prin ejaculare ajung în vagin zeci sau sute de milioane de spermii, din acestea doar câteva sute de mii sau 1-2 milioane ajung în uter.

Ascensiunea spermatozoizilor în tractul genital al femeii permite: selecţia gameţilor masculini; dobândirea puterii fecundante.

Trecerea prin col şi glera cervicală se face în aproximativ 3 minute. Imediat după ejaculaţie sperma coagulează în fundul de sac vaginal şi imobilizează spermatozoizii. În mai puţin de o oră, enzimele proteolitice ale plasmei seminale, activate de pH-ul vaginal acid (cuprins între 4,5-5), lizează coagulul şi eliberează spermatozoizii. Cei mai mobili străbat bariera cervicală şi ajung în uter (~1%). Cei mai mulţi sunt distruşi de mediul vaginal acid. Calitatea glerei cervicale este fundamentală permiţând printr-o reţea de glicoproteine, orientarea spermatozoizilor către uter; glera este optimală cu 2-3 zile înainte de ovulaţie,când este filantă, cristalizează în frunză de ferigă şi are pH alcalin. Are rol în: selecţia gameţilor; iniţierea capacitaţiei; este filtru antibacterian.

La nivelul uterului spermiile înoată într-un lichid secretat de glandele uterine, lichid care conţine glucoza şi fructoză, ce constituie sursa de energie pentru spermiile aflate în mişcare spre trompele uterine.

Ajung în trompă prin mişcările proprii, favorizate şi de contracţii ale musculaturii uterine şi probabil şi prin mecanism de tip chemotactic - doar câteva mii sau sute. Trecerea prin uter şi trompă se face în decurs de câteva ore.

Pe parcursul acestui drum se produce capacitaţia spermatozoidului - este un fenomen ce cuprinde toate modificările (ultrastructurale, funcţionale, biochimice) pe care un spermatozoid le suferă în căile genitale feminine pentru a deveni apt de fecundaţie. Aceste modificări sunt:

1) ultrastructurale - reprezentate de reacţia acrosomală ce presupune adaptări la nivelul acrosomului şi membranei plasmatice;

2) funcţionale - cu accelerarea vitezei de deplasare în uter şi trompe;3) biochmice şi metabolice - caracterizate prin intensificarea glicolizei

anaerobe şi consumul de O2 datorită necesităţii creşterii motilităţii şi sintezei enzimelor litice.

Fluiditatea membranei plasmatice a spermiei poate fi alterată prin modificarea compoziţiei lipidice:

- scăderea cantităţii de colesterol din membrana plasmatică;- prin pierderea anumitor proteine specifice şi carbohidraţi în timpul

capacitării;- fosforilarea proteinelor implicate în legarea spermiei la zona pellucida.Spermiile ajunse în 1/3 ext. a trompei se întâlnesc cu ovocitul expulzat.

Ovocitul se află în metafaza a II-a a meiozei, înconjurat de celulele foliculare ale coronei radiata şi cumulus proliger;

64

Page 65: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Spermiile pătrund printre celulele coronei radiata şi ajung în contact cu zona pellucida.

Reacţia acrozomialăEste un fenomen declanşat de legarea capului spermiei la zona pellucida. Zona pellucida - are structură glicoproteică;

- o grosime de 15-20 µm;- este produsă de celulele foliculare şi de ovocitul în creştere;- are rol major în fecundaţie.

- spermia se leagă de zona pellucida prin intermediul unor glicoproteine specifice.

- se consideră că sunt necesare câteva mii de locuri de legare pentru a asigura legarea unei spermii, pentru că aceasta nu penetrează perpendicular, ci tangenţial.

- legarea capului spermiei la zona pelucida declanşează Reacţia acrozomială presupune următoarele etape:• membrana plasmatică a spermiei se rupe;• membrana externă a acrozomului se dezagregă (cea internă rămâne, dar

e foarte subţire şi se lipeşte de membrana vitelină);• conţinutul enzimatic e eliberat în jurul capului spermiei (în special

acrozina) şi enzimele rarefiază ţesătura macromoleculelor zonei pellucida;• spermia, prin mişcările cozii pătrunde prin această regiune rarefiată( „se

scufundă ca o navă în ovul”) până la integrarea completă a spermatozoidului;• piesa intermediară împreună cu flagelul degenerează.Contactul între capul spermiei şi plasmalema ovocitului declanşează două

procese:- reacţia corticală - cu blocarea polispermiei;- terminarea celei de a 2-a diviziuni a meiozei şi eliberarea celui de-al 2-

lea globul polar.Reacţia corticală - previne pătrunderea în ovocit a mai multor spermii.Mecanism- creşte concentraţia Ca+ în citoplasma ovocitului, ceea ce face granulele

corticale aflate la periferia citoplasmei ovocitului, să se lipească de plasmalema şi să elibereze conţinutul în spaţiul perivitelin;

- granulele conţin o serie de enzime care conduc la modificarea stereospaţială a moleculelor zonei pellucida şi rigidizarea ei astfel încât este împiedicată pătrunderea altor spermii.

Ovocitul desăvârşeşte meioza şi expulzează cel de-al doilea globul polar.În jurul setului haploid de cromozomi se constituie membrana nucleară şi

se formează pronucleul feminin. Cel masculin se formează prin decondensarea cromatinei spermiei şi este de obicei mai mare. Treptat, cei 2 pronuclei aflaţi la distanţă migrează unul către altul, se alipesc, membrana dispare şi are lor unirea

65

Page 66: Ceasul Molecular Al Vietii 1

materialului genetic (SINGAMIA). Se reface astfel setul diploid de cromozomi şi se formează ZIGOTUL. După ovulaţie, ovocitul este apt de fecundaţie 12-24 h. Spermia este aptă pentru fecundaţie 48 h după depunerea în 1/3 superioară a vaginului.

Zigotul - are diametru de 120µm şi e înconjurat de zona pellucida cu rol de protecţie, care va însoţi embrionul până în stadiul de blastocist.

APOPTOZA

Apoptoza reprezintă o parte esenţială a dezvoltării fetale normale, a creşterii şi a procesului de control al numărului de celule ale adultului. Este procesul opus diviziunii celulare şi proliferării, esenţial în menţinerea homeostazei structurale şi funcţionale a unui ţesut. Apoptoza se produce în afară de aceste condiţii fiziologice, şi în condiţii patologice. Acest proces are anumite caracteristici microscopice şi este un mecanism controlat care îndepărtează celulele într-un mod ce determină minime disfuncţionalităţi în ţesutul înconjurător. Apoptoza se manifestă prin mecanisme diferite faţă de cele ce cauzează necroza, proces ce reprezintă modul în care se produce moartea celulară în condiţii patologice. Un exemplu foarte cunoscut în reprezintă infarctul miocardic, în cazul căruia fibrele musculare cardiace mor datorită lipsei de O2 datorat blocajului unei artere coronare.

Apoptoza este un proces activ ce necesită un consum de energie, în timp ce necroza este un fenomen de colaps metabolic celular caracterizat prin inabilitatea celulelor de a produce energia (ATP) necesară menţinerii homeostaziei.

Odată cu diminuarea rezervelor de APP celula nu mai poate menţine homeostazia ionică şi ca urmare a modificării gradientului ionic transmembranar au loc o serie de modificări morfologice precum înmuguriri ale membranei celulare, dilatări ale organitelor celulare şi, în special, ale mitocondriilor.

Persistenţa factorilor declanşatori face ca procesul să devină ireversibil.Principala deteriorare se manifestă la nivelul membranelor celulare, care

îşi pierd integritatea structurală şi funcţională urmată de eliberarea conţinutului celular şi a enzimelor lizozomale în mediul extracelular cu apariţia unui răspuns inflamator nespecific.

Procesul de apoptoză ce se manifestă în timpul dezvoltării embrionare sau fetale este denumit „moarte celulară programată” sau „deleţie programată a celulelor”.

Apoptoza este un proces ce poate fi iniţiat de o mare varietate de factori (trigger). Semnalul declanşării lui poate fi:

- cuplarea unei molecule externe la un receptor membranar numit „receptorul morţii” ( the „death receptor” sau Fas).

66

Page 67: Ceasul Molecular Al Vietii 1

- un semnal intracelular precum lezarea ADN-ului ce duce la eliberarea în citoplasmă a enzimei cytocrom c din mitocondrii.

În interiorul celulei multe proteine reglatoare controlează apoptoza, precum bcl-2 şi inhibitorii apoptozei (inhibitors of apoptosis sau IAP_. Rezultatul final al diferitelor semnale este un mecanism numit „cascada caspazei” (o enzimă). Enzimele activate ale acestei cascade rup proteinele celulare precum cele din membrana nucleară şi, de asemenea, activează adiţional enzime precum DNA-aza (ce va rupe ADN-ul).

Fenomenul de apoptoză poate fi observat la majoritatea tipurilor celulare în cursul dezvoltării şi maturării:

- anumite tipuri celulare au o durată de viaţă predefinită şi apoptaza se produce inevitabil ca o parte a ciclului lor de viaţă (ex: celulele pielii sau ale tractului intestinal, celulele glandei sebacee care se distrug odată cu eliberarea sebuumului, spermatozoizii care au o durată de viaţă medie de 3-5 zile sau ovocitul 24-48 ore);

- alte celule sunt determinate să se autodistrugă dacă au un comportament „nepotrivit”; ex: limfocitele T care sunt capabile de reacţie împotriva componentelor normale ale corpului (organismului) sunt determinate să se autodistrugă în timus, proces cunoscut ca „deleţie clonală”. Eşecul acestui proces poate duce la dezechilibre autoimune precum tiroidita autoimună sau anemia pernicioasă;

- anumite ţesuturi ale organismului adult cresc şi apoi regresează în mod ciclic, precum foliculii ovarieni, care cresc până la ovulaţie; proces urmat de regresia corpului galben prin apoptoză şi formarea corpului albicans: dacă ovulul nu este fertilizat, corpul luteal va involua, proces ce implică moartea progresivă a celulelor constituente ce vor fi înlocuite de o cicatrice fibroasă numită corp albicans;

- apoptoza celulelor epiteliale ale glandelor endometriale (din mucoasa uterină) la începutul menstruaţiei.

Apoptoza este un mod de moarte a celulelor anormale, de ex. cele infectate cu virusuri sau cu mutaţii genetice. În acest caz, eşecul apoptozei este foarte important în procesele neoplazice când diviziunea şi multiplicarea celulară nu mai este restricţionată.

Mecanismul apotozeiDeşi o serie de factori intrinseci/extrinseci pot iniţia apoptoza, la nivel

molecular modelul obişnuit îl reprezintă activarea cascadei caspazei.Caspazele sunt o serie de enzime ce se găsesc în formă inactivă în toate

celulele. Când prima din serie este activată, ea este capabilă să activeze altele şi odată declanşat, procesul se produce „în cascadă”. Acest fenomen „în cascadă” a fost observat şi în alte situaţii, de exemplu în coagularea sangvină şi cascada complementului (intervine în mecanisme imunologice).

67

Page 68: Ceasul Molecular Al Vietii 1

În desenul următor este exemplificat procesul de apoptoză la nivelul unui epiteliu simplu columnar (cilindric) aşezat pe o membrană bazală (BM).

Mecanismul apoptozei (după Wheater’s Functional Histology)

Când o celulă normală primeşte semnalul de iniţiere a apoptozei, la microscopul optic pot fi observate modificările care au loc în celulă:

- iniţial se produce condensarea cromatinei nucleare ce formează mase hipercrome; acest proces se numeşte PICNOZA (pyknosis);

- în acelaşi timp, celula pierde contactul cu celulele vecine şi se îndepărtează de acestea; eozinofilia citoplasmei creşte, dar organitele celulare sunt încă conservate în acest stadiu;

- în continuare, materialul nuclear se fragmentează în mase mici, proces numit karyorrhexis; are loc, de asemenea, ruperea membranei nucleare.

Se formează vezicule citoplasmatice ce se îndepărtează de suprafaţa celulei şi, eventual, întreaga celulă se distruge formând fragmente delimitate de membrană (karyolysis). Unele din fragmentele mebranare conţin material nuclear şi se numesc corpi apoptotici (A). Ei pot fi fagocitaţi de către macrofage (M).

68

Page 69: Ceasul Molecular Al Vietii 1

În anumite circumstanţe, părţi din celulă rămân, după apoptoză, ca şi componente normale ale ţesutului respectiv. De exemplu, în piele, apoptoza se produce ca fenomen normal în cadrul ciclului celular, dar pentru o anumită perioadă de timp după dispariţia nucleului, citoplasma se încarcă cu keratină, formând o pătură de protecţie impermeabilă („waterproof”) la suprafaţa pielii.

69

Page 70: Ceasul Molecular Al Vietii 1

BIOTEHNOLOGII, CLONARE, AMELIORARE

Biotehnologiile reprezintă un ansamblu de metode şi tehnici prin care utilizând microorganisme (de exemplu, bacterii), se obţin în culturi de celule vegetale şi animale substanţe utile necesare în diferite domenii. Aceste tehnici sunt utilizate cu succes în industria farmaceutică, medicină, industria alimentară, agricultură etc. De asemenea, cu ajutorul biotehnologiilor se pot obţine organisme reprogramate genetic. La ora actuală biotehnologiile se dezvoltă pe două sectoare bine definite: clonarea terapeutică şi clonarea reproductivă.

Clonarea terapeutică se realizează cu ajutorul celulelor stem.În tratatele clasice de histologie sunt descrie celulele tulpină sau celule

stem, din măduva osoasă, care sunt identificate, mai târziu, cu celulele suşe. Ele sunt cunoscute ca celule multipotente din care se diferenţiază linia eritrocitară, granulocitară şi megacariocitară. De altfel, în 1965 au loc primele grefe de măduvă osoasă la pacienţii cu leucemie.

Descoperirea celulei stern embrionară are loc în 1981, când s-a reuşit izolarea de celule de la un embrion de şoarece, iar cultivarea lor în medii diferite a dus la formarea mai multor tipuri celulare prezente în şoarecele adult.

În 1995, Thomson izolează şi cultivă celule stern embrionare de primate, iar trei ani mai târziu reuşeşte să multiplice în cultură celule stem umane provenite dintr-un embrion în stadiu de blastocist.

Laboratoare din numeroase ţări sunt într-o adevărată cursă contra cronometru în obţinerea de linii celulare stabile din care, prin cultivări în medii adecvate, să determine diferenţierea lor în celule specializate, în vederea folosirii lor pentru refacerea unor ţesuturi sau organe bolnave. Mai mult de zece laboratoare din Australia, Marea Britanie, Japonia, China şi alte ţări, au reuşit să obţină faimoasele celule tulpină embrionare („Embryonic Stem Cells” sau ESC).

Odată cu obţinerea celulelor ESC, date fiind calităţile şi posibilităţile de folosire, speranţele în domeniul terapeutic sunt inestimabile. S-a reuşit diferenţierea lor în celule pancreatice, hepatice, nervoase, miocardice, musculare ş.a.

Celula stem adultă se găseşte în măduva osoasă, în sângele ombilical şi periferic, dar şi în numeroase alte ţesuturi. Celulele embrionare, care se găsesc începând cu primele stadii după fecundarea ovocitului de către spermatozoid şi în continuare în fazele succesive de dezvoltare până la fetus, au fost găsite şi izolate din lichidul amniotic.

Dependent de capacităţile de multiplicare şi specializare, cu posibilităţi de a se diferenţia, celulele stem sunt grupate în:

• celule unipotente, care reuşesc să producă un singur tip de celulă specializată; de exemplu, celulele suşe ale pielii utilizate în autogrefele din arsurile extinse;

70

Page 71: Ceasul Molecular Al Vietii 1

• celule multipotente, care produc un număr limitat de tipuri celulare; de exemplu, celulele stem din măduva osoasă, formatoare de hematii, leucocite şi trombocite;

• celule pluripotente, care produc toate tipurile de celule existente într-un organism, cu excepţia celulelor placentare; se găsesc în butonul embrionar, în stadiu de blastocist;

• celule totalpotente, care sunt apte de a produce un individ complet: se găsesc într-un embrion format din 2-8 celule, la trei zile după fecundarea ovulului de către spermatozoid.

În prezent sunt cunoscute şi bine stabilite următoarele însuşiri ale celulelor stem:

- pot supravieţui timp îndelungat într-un mediu adecvat;- pot produce celule diferenţiate sau specializate;- în cursul evoluţiei se pot asambla, formând „societăţi celulare” care se

structurează în ţesuturi sau organe;- în procesul de diviziune dau naştere la două tipuri de celule: o celulă

suşe şi o celulă specializată.La ora actuală, celula suşe reprezintă o problemă disputată în mai multe

planuri: politic, etic şi legislativ.Perspectivele incomensurabile ale folosirii celulelor stern în medicină, fac

ca problemele menţionate mai sus să fie trecute pe plan secund sau, în orice caz, să se încerce o rezolvare legislativă.

Celulele stem adulte sunt celule nediferenţiate, capabile să se dezvolte ca tipuri de celule caracteristice altor ţesuturi; celulele stern hematopoietice adulte din măduva osoasă sunt capabile să dezvolte celule sangvine şi celule imunitare, iar în alte condiţii sunt capabile să se transforme în celule cu caracteristici neuronale.

Celula stem adultă are capacitate de autoreînnoire, cu menţiunea că nu se replică timp îndelungat în cultură. Surse de celule stern adulte sunt: măduva osoasă, sângele, corneea, retina, osul, muşchiul scheletic, pulpa dentară, ficatul, pielea, mucoasa gastrointestinală şi pancreasul. Celule stern adulte au fost identificate în regiunea hipocampului (zona memoriei) din creier.

Celulele stem adulte sunt rare; se întâmpină dificultăţi in identificare, izolare şi purificare; nu sunt pluripotente şi au capacitate de reînnoire pe termen lung.

Celulele stem din măduva osoasă reprezintă o sursă de un interes deosebit pentru o serie de boli, în care s-au obţinut rezultate, dar încă nu este evaluat în totalitate potenţialul lor, cu toate că sunt cele mai studiate celule stem adulte. În măduva osoasă au fost identificate două tipuri de celule stem adulte: celule stem hematopoetice, care formează celule sangvine şi imune şi celule stem mezenchimale sau stromale, care formează celule osoase, cartilaginoase şi celule grase (lipocite). Cercetările au demonstrat că în măduva osoasă ar exista

71

Page 72: Ceasul Molecular Al Vietii 1

cel puţin încă două populaţii de celule stem adulte, dar care încă nu sunt bine caracterizate.

Perspectivele folosirii celulelor stem embrionare se îndreaptă în două direcţii majore:

- medicina regenerativă;- testarea medicamentelor.În diabetul de tip 1, a cărui patogeneză constă în distrugerea celulelor

insulinice de către sistemul imun, terapia prin celule stem embrionare ar avea avantajul că acestea pot fi făcute să exprime gene compatibile, care ar putea scăpa detectării sistemelor imune; o altă ipoteză de lucru ar fi încapsularea celulelor stem insulinice într-un material care să permită insulinei să treacă uşor în sânge, dar în acelaşi timp să fie inaccesibile sistemului imun.

Boala Parkinson, cel puţin teoretic, prin prisma actualelor cunoştinţe, ar fi relativ uşor de tratat, deoarece ar fi vorba de înlocuirea unui singur tip de celulă dintr-o zonă bine precizată din creier.

Leziunile măduvei spinării, mai frecvente de natură traumatică, deteriorează grav un complex de celule (neuroni, oligodendrocite etc), sinapse şi căi de transmitere a influxului nervos. Experimentele efectuate pe animale de laborator au demonstrat că injectarea de oligodendrocite derivate din celule stem embrionare pot remieliniza axonii, iar şobolanii astfel trataţi au redobândit, parţial, funcţiile. Aceste experienţe efectuate în multe laboratoare din lume au început să depăşească stadiul de speranţă, existând numeroase succese în terapia unor boli ale sistemului nervos.

Modelul experimental obligatoriu, în studiul ESC umane, impune formarea unor linii celulare în culturi pure, suficient de numeroase, cu stabilirea condiţiilor de mediu, reţete speciale şi precise pentru cultivarea in vitro, apoi testarea funcţiilor fiziologice ale fiecărei linii celulare izolate; stabilirea în timp, de la o generaţie la alta de celule, a funcţiilor acestora. în continuare, cercetările de laborator se vor axa pe următoarele trei probleme:

- demonstrarea eficacităţii;- demonstrarea siguranţei;- prevenirea rezecţiei.În acest stadiu al investigaţiilor se va proba pe animale de experienţă -

rozătoare -, iar după aceea pe primate - maimuţe. Se vor induce la aceste animale, boli precum diabet, boala Parkinson etc, evaluându-se integrarea celulelor injectate în ţesuturi şi reacţia imunitară.

Demonstrarea siguranţei constă în investigaţii privind posibilitatea dezvoltării unor tumori şi pericolul transmiterii unor boli infecţioase.

Testarea metodelor de prevenire a rezecţiei, constă în posibilitatea de folosire a medicamentelor imunosupresive, crearea de celule diferenţiate izogenice în perspectiva folosirii reprogramării nucleare, formarea de linii celulare embrionare care să exprime genele primite şi stabilirea toleranţei imunologice.

72

Page 73: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Extrapolarea rezultatelor pe pacienţi umani se va face numai după ce rezultatele experimentale vor fi temeinic verificate.

Clonarea reproductivă. În reproducerea animală, în scopul obţinerii de animale cu înalte performanţe economice, se practică:

- reproducerea sexuată, prin inseminare artificială şi prin fecundaţie in vitro;

- reproducerea asexuată, prin clonare:- transfer de nucleu embrionar sau adult;- crearea de animale transgenice: inserarea de gene străine în patrimoniul

ereditar al spermatozoizilor, al celulelor-ou;- clonarea unui animal adult deja transgenic sau manipulând direct

nucleul unei celule adulte, transferul nucleului, ceea ce permite obţinerea clonelor transgenice.

Reproducerea asexuată, prin clonare, a fost verificată şi s-a realizat prin biotehnologii care necesită încă perfecţionare. Să nu se uite că oaia Dolly a fost obţinută după 277 de transferuri, totuşi concluzia este că se poate!

Toate aceste etape sunt aleatorii şi misterioase, ceea ce explică nivelul încă scăzut al succeselor.

Numeroşi embrioni reconstruiţi nu se dezvoltă. Cauzele sunt necunoscute, putând fi legate de ciclul embrionar, de starea nucleului şi a citoplasmei primitoare, de activarea oului pus în joc etc. Dacă embrionul se dezvoltă şi se implantează, mortalitatea embrionară şi fetală este considerabilă, poate datorită efectului tardiv sau perturbărilor foarte precoce ale dezvoltării. Pot interveni perturbaţii fiziologice ale placentei. Rezolvarea acestor neajunsuri, dat fiind interesul, este o chestiune de timp.

În numeroase ţări clonajul uman reproductiv este prohibit, de altfel Parlamentul European, Consiliul Europei prin convenţia de la Oviedo, OMS şi UNESCO au condamnat clonajul reproductiv la om.

PROIECTUL GENOMULUI UMANIdeea de a realiza un proiect având ca scop descifrarea genomului uman

se consemnează în anul 1981 în SUA, fiind izvorâtă din necesitatea evaluării statutului curent al detecţiei şi caracterizării mutaţiilor în specia umană.

Multă vreme s-a considerat că genotipul uman este alcătuit din 80000-100000 de gene ce însumează în jur de 3 miliarde de nucleotide. Genele umane variază între limite largi ca lungime, cuprinzând adesea sute de bare, însă doar aproximativ 10% din genom se ştie că include secvenţele codificatoare (exoni) intercalate cu secvenţe noninformaţionale (introni). Aflarea de noi informaţii asupra structurii genelor şi a funcţiilor acestora impunea o cunoaştere detaliată a codului genetic. Astfel a demarat Proiectul Genomului Uman - Human Genome Project (HGP).

HGP a fost prefaţat de multe încercări de cartare a genelor umane. Astfel în 1980, Batstein şi colaboratorii au realizat harta genetică de linkage, pe baza

73

Page 74: Ceasul Molecular Al Vietii 1

polimorfismului de lungime a fragmentelor de restricţie a ADN uman. Totodată au realizat un program de conturare a unei hărţi genetice umane, în care să fie localizate genele responsabile de manifestarea unor boli.

În anul 1983, Schimm şi Sutcliffe pun la punct o metodă de secvenţiere a fragmentelor de ADN genomic, în vederea identificării rapide de gene, metodă dezvoltată în perioada 1991-1995 de către Venter şi colaboratorii, protagoniştii HGP.

Iniţiat în 1986 în SUA de către Department of Energy (DOE) şi National Institutes of Health (NIH), beneficiind de o finanţare considerabilă (3 miliarde dolari), programul a fost estimat să se întindă pe 15 ani. Obiectivele principale ale acestui program au fost:

- să identifice genele din ADN-ul uman;- să determine secvenţa perechilor de baze azotate ce alcătuiesc ADN-ul

uman, cu precizia de o eroare estimată / 10000 de baze;- stocarea informaţiei obţinute într-o bază de date;- dezvoltarea metodelor şi tehnologiilor pentru studiul acestor date;- să dea răspunsuri problemelor etice, legale şi sociale care pot apărea în

urma studiilor.Una dintre ideile de bază era alcătuirea unei hărţi a cromozomilor, pe care

să fie localizate genele, prin identificarea unui marcator genetic la fiecare două milioane de baze (în medie). Există deja bănci de gene care deţin la ora actuală complementele unor secvenţe cunoscute de ADN (marcatori).

Primii doi ani au fost consacraţi găsirii acestor marcatori-index. Cercetările au avut utilitate imediată, ducând la crearea unei hărţi mai detaliate şi uşurând munca de căutare a unei anumite gene.

Acest prim succes a determinat creşterea numărului de participanţi la HGP, implicându-se europenii (centrul Sanger din Marea Britanie, laboratoare din Franţa şi Germania) şi Japonia. Odată cu atingerea acestui scop intermediar (o „clonă” a proiectului) s-a stabilit o nouă direcţie de cercetare: identificarea variaţiilor individuale ale genomului uman. Chiar dacă 99,5% dintre secvenţele de ADN sunt identice la toată populaţia, micile variaţii pot avea un impact major asupra răspunsului la diferitele boli, rezistenţa la bacterii, virusuri, toxine şi substanţe chimice, precum şi la tratamentele medicamentoase.

Se dezvoltă metode pentru a detecta diferitele tipuri de variaţii.Cercetătorii speră că aceste studii să ajute la identificarea corelată a

genelor asociate cu boli complexe ca diabetul, cancerul, afecţiunile vasculare şi unele boli mintale. Aceste corelări sunt greu de stabilit cu metode tradiţionale de „vânare” a genelor, deoarece o singură genă alterată îşi poate aduce doar o mică contribuţie la riscul de boală.

Primul plan cincinal (1990-1995) a fost revizuit în 1993 datorită progreselor neaşteptate. Un al doilea plan a stabilit obiectivele proiectului până în 1998. Al treilea şi cel mai recent a fost stabilit Ia 23 octombrie 1998 în urma unei conferinţe internaţionale.

74

Page 75: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Complexitatea extraordinară a proiectului a făcut necesară participarea cercetătorilor din domenii variate: biologie, informatică, chimie, matematică, fizică, inginerie aplicată etc.

Finalizarea cercetărilor, estimată pentru anul 2003, ceea ce ar fi coincis cu a 50-a aniversare a descoperirii structurii ADN-ului de către Watson şi Crick, a fost realizată în februarie 2001. Publicarea în mediile ştiinţifice a secvenţei de draft (schiţă) a genomului uman constituie un moment de referinţă al cunoaşterii umane.

Aplicaţii prezente şi potenţiale ale cercetărilor HGP Cartarea genetică la om este un proces complex, care implică

multidisciplinaritate. Ea reprezintă apogeul demersului ştiinţific de analiză a genomului uman cu profunde semnificaţi şi implicaţii practice medicale, îndeosebi în acordarea sfatului genetic.

Medicina moleculară asigură:- diagnostic îmbunătăţit;- detectarea din timp a predispoziţiei spre o anumită boală;- terapie genică avansată;- control mai eficient al acţiunii medicamentelor. Bioarheologie, Antropologie, Evoluţionism- corelarea cu diferite evenimente istorice;- urmărirea migraţiilor umane pe baza studierii cromozomului Y;- noi date despre relaţiile între archaebacterii-eucariote-procariote. Medicina legală:- identificarea suspecţilor pe baza probelor biologice;- identificarea victimelor catastrofelor/crimelor;- stabilirea paternităţii şi a altor relaţii de rudenie. Alte domenii ale biologiei:- găsirea speciilor în pericol pe baza analizei genetice;- identificarea bacteriilor/organismelor care pot polua apa, aerul, solul,

hrana;- compatibilitatea donor-primitor de organe;- pedigree pentru diferite animale;- autentificarea vinurilor, a caviarului. Agricultura, creşterea animalelor, bioprocesare:- obţinerea de culturi mai rezistente la boli, insecte, secetă;- animale mai productive şi mai sănătoase;- biopesticide;- obţinerea de produse mai nutritive;- organisme transgenice şi mutaţii controlate;- depoluarea zonelor prin cultivarea plantelor modificate genetic şi care

au capacitatea de a metaboliza toxinele.

75

Page 76: Ceasul Molecular Al Vietii 1

PERSPECTIVA CREŞTINĂ ASUPRA CEASULUI MOLECULAR AL VIEŢII

Pe lângă aspectul biologic al vieţii omului, tradiţia creştină vorbeşte despre prezenţa unui principiu spiritual care animă din interior şi pătrunde trupul în toate elementele sale: sufletul. Moartea este înţeleasă ca îndepărtare a sufletului nemuritor de trupul ce se risipeşte în elementele organice din care este făcut.

Viaţa şi moartea în perspectivă creştinăDumnezeu este izvorul vieţii care îl face pe om din pământ şi îi insuflă

suflare de viaţă pentru ca acesta să fie viu: „Trimite-vei duhul Tău şi se vor zidi şi vei înnoi faţa pământului... lua-vei duhul lor şi se vor sfârşi, în ţărână se vor întoarce” (Psalmi 103, 30-31). Iov ne spune: „Dacă Dumnezeu n-ar cugeta decât la sine însuşi şi dacă ar lua înapoi la Sine duhul său şi suflarea sa, toate făpturile ar pieri deodată şi omul s-ar întoarce în ţărână”. (Iov - 34.14-15)

Fiind create de Dumnezeu printr-un act special atât sufletul cât şi trupul au primit în tradiţia creştină o apreciere pozitivă.

Toma de Aquino afirmă că sufletul este unit cu corpul în mod substanţial şi nu accidental întrucât este coprincipiu al persoanei, sufletul fiind forma substanţială a corpului. Astfel, deoarece corpul uman este animat de un suflet spiritual, primeşte întocmirea ontologică a umanităţii de la început. Poziţia Sfântului Toma din tradiţia catolică înlătură aporiile dualismului cartezian.

Dualismul cartezian introducea o separaţie între corp şi suflet; sufletul are o natură complet diferită de a corpului (res cogitans sau substanţa cugetătoare este opusă lui res extensa sau substanţa întinsă; sufletul face parte din res cogitans, pe când corpul face parte din res extensa - a cărei trăsătură este întinderea). Pentru Descartes, atributul esenţial al persoanei este gândirea, cogito ergo sum, de aici pierderea acestui atribut coincide cu moartea. În viziunea carteziană, pierderea gândirii coincide cu moartea, iar prelungirea funcţionării corpului, chiar în stare vegetativă (ca în cazul morţii cerebrale), nu contrazice defel acest diagnostic, din moment ce trupul este considerat „o maşină neînsufleţită”.

Acest dualism reapare acum ca un dualism creier-trup. În mod analog, conform vechiului dualism acesta susţine că adevărata persoană umană este reprezentată de creier, faţă de care restul trupului este un simplu instrument. De aceea, atunci când creierul sau partea responsabilă de funcţia cognitivă a psihicului moare, chiar dacă se păstrează încă funcţia vegetativă, ceea ce rămâne este considerat doar un cadavru.

Acest lucru este inacceptabil pentru gândirea creştină ce priveşte omul în integralitatea funcţiei sale psihosomatice ca expresie a unei raţiuni divine, raţiunea naturii umane integrale. Trupul este o componentă esenţială a identităţii personale. Identitatea personală este identitatea întregului organism, a omului ca trup şi suflet. De aceea, identitatea personală nu dispare odată cu

76

Page 77: Ceasul Molecular Al Vietii 1

pierderea doar a funcţiilor cognitive ale persoanei (ca în cazul morţii cerebrale bazată pe criteriul cortical), ci cu dispariţia atât a funcţiilor cognitive ce ţin de integritatea creierului superior, cât şi a funcţiilor vegetative ce ţin de integritatea trunchiului cerebral.

Fiind create de Dumnezeu printr-un act special, sufletul şi trupul au primit în tradiţia creştină o apreciere pozitivă. Sufletele au fost create simultan cu corpurile (teoriile după care sufletele au preexistat trupurilor şi au fost trimise în corpuri pentru pedepsirea lor este străină antropologiei creştine).

Prin urmare, dacă trupul şi sufletul au o raţiune în Dumnezeu şi au fost create în acelaşi timp, înseamnă că nu există două raţiuni distincte a trupului şi a sufletului, ci o singură raţiune comună ambelor. Această raţiune comună sufletului şi trupului este raţiunea naturii umane integrale ce tinde spre Dumnezeu cel infinit.

Aceasta înseamnă că sufletul nu este legat exclusiv de un anumit organ, ci de întreg trupul. Imaginea clasică a Părinţilor este aceea a analogiei dintre constituţia dihotomică a omului cu a fierului înroşit în foc. Precum focul pătrunde şi cuprinde în acelaşi timp fierul întreg, negăsindu-se doar într-o parte a sa, astfel este şi unirea sufletului cu trupul.

Omul este persoană pentru că a fost creat după chipul lui Dumnezeu cel personal. Dumnezeu l-a creat după chipul său dăruindu-i virtual prin aceasta capacitatea de a tinde spre asemănarea cu El. Dar nu a creat doar sufletul după chip, ci întreaga persoană umană în unitatea sa psihosomatică. De aceea şi calitatea de persoană şi cea de chip nu se referă exclusiv la suflet ci la suflet şi trup; ele exprimă realitatea naturii umane integrale.

Al doilea ax al gândirii tomiste e acela care se bazează pe două principii ale oricărei fiinţe reale, şi anume: esenţa şi existenţa (essentia ed esse în termenii săi). Existenţa nu poate fi înţeleasă decât în interiorul unei esenţe, iar esenţa omului este dată de uniunea substanţială a sufletului spiritual cu corpul ce îşi împrumută forţa existenţială de la suflet.

Pe scurt, putem rezuma semnificaţiile creştine ale corpului cu următoarele caracteristici şi valenţe: întrupare spaţio-temporală, diferenţiere individuală (fiecare individ este unic şi irepetabil), relaţie cu lumea şi societatea, instrumentalitate şi principiu al tehnologiei. Să ne reamintim că tehnica nu este altceva decât o potenţare a corpului (de exemplu, maşina), a senzaţiilor sale (tehnologia imaginilor şi sunetelor) sau chiar a creierului (informatică). Dar corpul este şi limita, semn al limitării spaţio-temporale şi aceasta aduce cu sine durerea, boala sau moartea.

Persoana este o realitate multidimensională prin atributele sale accesibile cunoaşterii umane. Unicitatea şi irepetabilitatea persoanei priveşte atât dimensiunea sa corporală, cât şi spirituală. In unicitatea sa, persoana umană este şi o fiinţă relaţională dialogică, ca purtătoare a chipului lui Dumnezeu cel tri-personal. Capacitatea sa relaţională se manifestă în cele trei dimensiuni ale relaţiei cu Dumnezeu, cu cosmosul şi cu celelalte persoane. Persoana umană

77

Page 78: Ceasul Molecular Al Vietii 1

este, de asemenea, şi o fiinţă raţională, raţionalitate ce-i conferă capacitatea de a avea conştiinţă de sine şi apoi de toate realităţile înconjurătoare.

Ca fiinţă raţională şi prin aceasta superioară celorlalte fiinţe create de Dumnezeu, fiinţa umană, în calitatea sa de persoană, este chemată a fi o fiinţă responsabilă. Dumnezeu a încredinţat omului de la început responsabilitatea faţă de toate realităţile create (Geneza 1.28-29; 2; 19).

Din acest fapt derivă importante consecinţe pe plan etic şi etico-medical. Primul bine care se prezintă ca esenţial organismului viu este viaţa;, ceea ce atinge viaţa, distruge organismul ca atare, este cea mai mare privaţiune care poate fi adusă unei persoane. Viaţa fizică a unei persoane poate fi sacrificată sau pusă în pericol doar pentru un bun moral superior care priveşte totalitatea persoanei sau salvarea altora; este cazul martiriului sau al apărării celor dragi de un agresor nedrept.

Dacă viaţa este primul bine, o altă valoare importantă este integritatea ei. Celelalte bunuri ale vieţii de relaţie de tip afectiv sau social trebuie să se subordoneze vieţii şi integrităţii ei. De exemplu, pentru o intervenţie chirurgicală se justifică internarea în spital şi părăsirea celor dragi, în schimb mutilarea sau sterilizarea nu au nici un fel de justificare.

Aceste valori sunt armonizate în ele, conduc la ceea ce moraliştii numesc unitotalitate: atunci când una dintre valorile descrise mai sus lipseşte, viaţa devine apăsătoare pentru totalitatea persoanei. De aceea, „mortificarea”, renunţarea la oricare dintre aceste valori necesită o justificare printr-un bine superior.

B. Pascal în capitolul „Morala creştină” din Cugetări, împrumută de la apostolul Pavel (I Corinteni) imaginea membrelor şi a corpului. El scrie: „Pentru a echilibra iubirea pe care ţi-o datorezi ţie trebuie să-ţi imaginezi un corp cu membre... întrucât suntem membre ale totului, ale trupului tainic care este Biserica lui Dumnezeu”. „Orice iubire ce se manifestă în afară de aceasta este ceva nedrept”. Persoana, deşi element generativ al societăţii, nu se investeşte pe sine în totalitate în ipostază social-temporară şi nici în cea politică. Disoluţia persoanei în social şi în colectivism a reprezentat cea mai gravă catastrofă a umanităţii (comunism). Binele comun nu este o medie statistică a bunurilor materiale posedate de indivizi, ci o viaţă împlinită a unei multitudini de persoane, a totalităţilor trupeşti şi spirituale laolaltă.

Având credinţa că viaţa umană este darul lui Dumnezeu, responsabilitatea noastră va fi pe măsura credinţei. Spre a scoate în evidenţă responsabilitatea pe care trebuie s-o avem faţă de viaţa, Sfântul Maxim Mărturisitorul crede că omul „are fiinţă împrumutată”. Biserica îşi exprimă îngrijorarea ori de câte ori viaţa este manipulată în scopuri care nu au nici o legătură cu viaţa individualităţii pe care se intervine (din curiozitate, interes, în numele progresului ştiinţific şi chiar în numele sănătăţii altor persoane). Cele mai uimitoare descoperiri ştiinţifice din ultima jumătate de secol sunt cele legate de manipularea materialului genetic şi biotehnologie. Marele savant şi neurolog american Van Rensselaer Potter,

78

Page 79: Ceasul Molecular Al Vietii 1

îngrijorat el însuşi de dezvoltarea exponenţială a cunoştinţelor biologice şi de perfecţionarea biotehnologiei, invită lumea la crearea unei noi ştiinţe a supravieţuirii care să se fundamenteze pe acordul dintre cunoaşterea biologică şi ştiinţele umane. El o denumeşte bioetică.

O bioetică laică comportă două riscuri majore consideră Vasile Răducă, secretarul Comisiei de Bioetică a Patriarhiei Române:

1. Dacă corporeitatea umană este una între celelalte forme de viaţă somatică, bioetica va putea îngădui ca viaţa umană să fie tratată/manipulată ca viaţa oricărei alte fiinţe sub nivel uman, nesocotind faptul că fiul lui Dumnezeu s-a făcut Om.

2. Biologia umană poate fi absolutizată şi divinizată: într-o societate lipsită de speranţă în nemurirea asigurată de Hristos-Dumnezeu (dar cu posibilitatăţi financiare) există riscul absolutizării propriei noastre biologii (de exemplu, înverşunarea în terapiile intensive şi donarea reproductivă), omul refuzând pur şi simplu moartea biologică.

EutanasiaEtimologic, cuvântul eutanasie provine din limba greacă, putând fi tradus

prin sintagma o moarte bună. Spre deosebire de omucidere, eutanasia se realizează de dragul persoanei căreia i se ia viaţa (de regulă, pentru a fi scutită de chinuri insuportabile, atunci când se află într-un ultim stadiu al unei boli incurabile). Eutanasia se poate clasifica în funcţie de decizia pacientului:

• eutanasie voluntară;• eutanasie involuntară.După acţiunea sau lipsa de acţiune a persoanei care efectuează eutanasia

se clasifică în:• eutanasie activă;• eutanasie pasivă.Eutanasia voluntară presupune îndeplinirea a trei condiţii:1. să existe un agent al actului eutanasie şi un pacient;2. actul eutanasie să fie intenţionat (făcut în mod deliberat) şi în

cunoştinţă de cauză asupra consecinţelor sale posibile;3. agentul să acţioneze în vederea apărării interesului şi spre binele

pacientului. În plus, moartea survine în urma cererii sau consimţământului explicit al pacientului, cu condiţia ca acesta să fie în deplinătatea facultăţilor sale mintale.

Cu alte cuvinte, eutanasia voluntară este înţeleasă ca o acţiune premeditată a unui individ de a se omorî, acţiune ce nu poate fi dusă la îndeplinire decât cu ajutorul altei persoane.

Eutanasia involuntară este opusul eutanasiei voluntare, respectiv reprezintă acţiunea unei persoane care omoară sau lasă să moară o altă persoană, fără a avea acordul acesteia. Ca încadrare juridica putem spune că

79

Page 80: Ceasul Molecular Al Vietii 1

eutanasia involuntară este mai aproape de omucidere, pe când eutanasia voluntară se apropie de sinucidere.

Controversele aprinse iscate de eutanasie au fost acelea asupra superiorităţii unuia dintre cele trei principii fundamentale aplicabile în domeniu:

1. dreptul fiecărui om la viaţă;2. dreptul omului de a dispune în mod liber de propria viaţă;3. dreptul omului de a nu fi supus unor suferinţe inutile.Biserica creştină condamnă eutanasia, considerând viaţa sacră şi

inviolabilă.Adepţii eutanasiei susţin superioritatea dreptului omului de a nu fi supus

unor suferinţe inutile în faţa celorlalte două.Practicile legate de eutanasie sunt interzise în majoritatea covârşitoare a

ţărilor (Olanda a legalizat eutanasia în 2000, iar Belgia a dezincriminat parţial eutanasia în aceeaşi perioadă). Legislaţia României nu îngăduie eutanasia, încadrând-o din punct de vedere juridic fie la infracţiunea de determinare sau înlesnire a sinuciderii unei persoane (art. 179 din Codul Penal) sau infracţiune de omor (art. 174-175 din Codul Penal).

Manipularea şi ingineria geneticăPrin manipulare genetică se înţeleg acele intervenţii asupra vieţii (în

special a vieţii copilului care urmează să se nască - procreaţia artificială) care nu implică intervenţii asupra codului genetic, ci asupra gârneţilor şi embrionilor pentru a asigura procrearea şi a realiza experimente.

În schimb, prin inginerie genetică se înţelege, în sens propriu, totalitatea tehnicilor menite să transfere în structura celulei unei fiinţe vii unele informaţii pe care altfel nu le-ar fi avut.

În viziunea creştină, următoarele principii etice trebuie respectate:1. Salvarea vieţii şi identităţii genetice a fiecărui individ uman. Orice

intervenţie care nu ar presupune suprimarea invidualităţii fizice a unui subiect uman, chiar atunci când ar fi dorită pentru a aduce un beneficiu altor persoane, reprezintă o ofensă adusă valorii fundamentale a persoanei umane, pentru că privează omul de valoarea fundamentală pe care se sprijină toate celelalte, valoarea vieţii corporale. Folosirea criteriului calităţii vieţii (a îmbunătăţirii sale) pentru a suprima sau discrimina alte vieţi este inacceptabil.

2. Principiul terapeutic. Este permisă efectuarea unei intervenţii în beneficiul persoanei pentru a corecta un defect sau pentru a elimina o boală, altfel incurabilă.

3. Salvarea ecosistemului şi a mediului. Creaţia, în viziunea creaţionistă a Universului, este ordonată spre binele omului care se află în centrul ei; aceasta nu este un „instrument” al omului, ci un bun care-şi găseşte în Dumnezeu raţiunea de a exista.

4. Diferenţa dintre om şi alte fiinţe. Diferenţa dintre om şi alte fiinţe este reală şi profundă: omul are conştiinţă, libertate şi reflecţie; este dotat cu spirit.

80

Page 81: Ceasul Molecular Al Vietii 1

5. Competenţa comunităţii. Problema intervenţiei în patrimoniul genetic al omului şi al altor fiinţe nu poate fi încredinţată doar unor experţi, fie oameni de ştiinţă, politicieni, ci cere participarea şi informarea responsabilă a comunităţilor deoarece priveşte întreaga umanitate.

Principiul libertăţii ştiinţei şi cercetării trebuie recunoscut şi armonizat cu exigenţele de informare şi responsabilizare a populaţiei. Avem în vedere screening-ul genetic, manipularea mediului ecologic şi intervenţia asupra genomului uman.

Diagnosticarea prematrimonială şi preconceptivă este indicată în cazul subiecţilor care s-ar afla în situaţia riscantă de a fi purtătorii genei responsabile pentru o boală genetică, existând astfel pericolul într-o proporţie de 25% ca urmaşii să fie afectaţi (de exemplu, talasemie). Poate fi o alternativă la avortul selectiv.

Screening-ul genetic asupra lucrătorilor. Se poate aplica pentru a determina sensibilitatea lucrătorului la anumite substanţe, condiţii prezente la locul de muncă şi se poate realiza pentru prevenirea apariţiei unei patologii, dar nu ca mijloc de excludere a lucrătorilor mai puţin rezistenţi din punct de vedere genetic.

Terapia genetică reprezintă introducerea în organisme şi în celulele umane a unei gene, adică a unui fragment ADN care are efectul de a preveni sau a trata o situaţie patologică. Se face distincţie între terapia genetică asupra celulelor somatice (de exemplu, limfocite, măduvă osoasă care au drept efect restabilirea normalităţii celulelor afectate) şi terapia genetică asupra celulelor liniei germinate (gameţi sau embrioni precoce). În al doilea caz, modificarea aşteptată se produce în genomul subiectului care va fi sau a fost conceput, precum şi la descendenţii săi.

Se poate admite terapia genetică de tip somatic şi cea de tip germinai atâta timp cât scopul este cel terapeutic. Se respinge modificarea constituţiei genetice deoarece este contrară principiului respectului vieţii şi identităţii biologice, şi a egalităţii dintre oameni.

Terapiile experimentale pot să comporte riscuri: mutaţii dăunătoare, fenomene de respingere sau răspândirea unui vector viral.

Ingineria genetică alternativă şi amplificatoare la omAlterarea înseamnă producerea unui caracter nou, iar îmbunătăţirea sau

amplificarea se referă la potenţarea unui caracter deja existent. Există patru ipostaze ale ingineriei genetice:

1. corectarea unei deficienţe care pune subiectul în condiţii de inferioritate faţă de media statistică;

2. ameliorarea uneia sau mai multor calităţi ale subiectului peste media statistică;

3. descendenţi superiori faţă de medie în privinţa unor calităţi (înălţime, forţă, inteligenţă);

81

Page 82: Ceasul Molecular Al Vietii 1

4. dotarea omului cu calităţi străine speciei umane.Primul caz coincide cu o formă de terapie, celelalte tipuri de intervenţie

ţin mai curând de eugenetică şi prezintă multe dificultăţi etice insurmontabile.

Clonarea umanăClonarea este definită ca fiind multiplicarea asexuată a unui singur

individ în urma căreia rezultă serii de indivizi identici din punct de vedere genetic.

În lumea ştiinţifică există două tabere, una care militează pentru introducerea donării umane pe motive umanitare:

- posibilitatea cuplurilor sterile de a avea copii;- evitarea naşterii copiilor cu boli ereditare;- obţinerea de organe în vederea transplantului;- posibilitatea înţelegerii mecanismului unor boli, precum cancerul, şi

descoperirea unor remedii.Cealaltă tabără subliniază:- existenţa unor ratări în procesul donării;- transmiterea unor maladii congenitale;- costul exorbitant al donării;- accelerarea procesului de îmbătrânire;- reducerea patrimoniului genetic al oamenilor;- crearea unei subclase genetice;- efectul psihologic asupra oamenilor;- distrugerea demnităţii şi unicităţii persoanei umane.Biserica apreciază că prin apariţia clonelor umane ne asumăm rolul

Creatorului - ispita faustică a zilelor noastre - ceea ce ar avea profunde consecinţe tragice. Există numeroase acte normative internaţionale care interzic donarea fiinţei umane:

- Articolul 1 şi 2 din Convenţia asupra drepturilor omului şi biomedicinei.- Declaraţia Consiliului Europei referitoare la donare.- Rezoluţia Parlamentului European privind donarea.- Declaraţia Universală UNESCO.- Rezoluţia Adunării Mondiale a Sănătăţii.România a ratificat Convenţia europeană privind protecţia drepturilor

omului şi a demnităţii fiinţei umane faţă de aplicaţiile biologiei şi medicinei şi Protocolul adiţional al acesteia referitor la interzicerea donării fiinţelor umane. Această convenţie a fost ratificată prin Legea nr. 17/2001.

Noul Cod Penal al României incriminează crearea ilegală de embrioni şi donarea în articolul 195; crearea de embrioni umani în alte scopuri decât procreaţie se pedepseşte cu închisoare de la 3 la 10 ani şi cu interzicerea unor drepturi. De asemenea, legea menţionează că se sancţionează cu aceeaşi pedeapsă crearea prin donare a unei fiinţe umane genetic identică cu alte fiinţe umane vii sau moarte.

82

Page 83: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Cu toată că legislaţia internaţională se pronunţă împotriva donării, Marea Britanie a permis în august 2005 începerea acţiunii de donare de embrioni umani, dar numai în scopuri medicale (se urmăreşte găsirea unor metode de vindecare a unor maladii precum Parkinson şi Alzheimer).

Organismele modificate geneticOrganismul modificat genetic (OMG) este acel organism care conţine o

combinaţie nouă de material genetic prin biotehnologiile moderne care-i conferă noi caracteristici.

Concepută iniţial ca o soluţie pertinentă de rezolvare a foametei în lume, tehnicile de inginerie genetică ridică numeroase probleme etice. Puse într-o balanţă atât beneficiile, cât şi efectele adverse cântăresc greu.

Beneficii:- plante rezistente la secetă şi dăunători;- cereale cu conţinut ridicat de proteine;- cereale fără gluten;- orez cu conţinut ridicat de vitamina A;- seminţe de răpită cu acizi graşi care pot fi utilizaţi în regimuri dietetice;- plante fără proteine alergene (kiwi);- tomate cu coacere în timpul transportului;- cantitate crescută de lecitină în soia. Efecte adverse:- eliberarea OMG în mediul înconjurător şi încrucişarea cu specii naturale

reprezintă subiectul unor dezbateri aprinse care au în vedere afectarea omului şi a celorlalte specii din regnul vegetal sau animal;

- efectul asupra dinamicii şi diversităţii genetice a populaţiilor din mediu şi a ciclului biogeochimic (reciclarea carbonului şi azotului prin modificarea descompunerii în sol a materialului organic);

- diminuarea rezistenţei la agenţi patogeni (transferul de genă care conferă rezistenţă la antibiotice utilizate în medicina umană).

În SUA suprafaţa cultivată cu plante modificate genetic este de 66% din total, în timp ce Uniunea Europeană a adoptat o atitudine mult mai strictă în privinţa OMG.

În „Catalogul oficial al soiurilor de plante de cultură din România”, sunt înscrise 10 soiuri de soia modificate genetic, dar numărul real al acestora este incert. În România chiar dacă autorităţile prevăd etichetarea produselor cu organisme modificate, nu ştim în ce măsură venim în contact cu acestea, din moment ce detectarea prezenţei şi a conţinutului acestora în produsele agricole alimentare şi furajere nu se poate face, iar pentru moment autorităţile dispun de mijloace rudimentare de detecţie.

Se impune înfiinţarea unor laboratoare dotate cu aparatură corespunzătoare, dar trebuie subliniat că metodele de detecţie a modificărilor

83

Page 84: Ceasul Molecular Al Vietii 1

genetice sunt laborioase şi foarte costisitoare (tehnica ELISA şi WESTERN-BLOTT).

Bioetica şi tehnologiile de fecundare umanăInseminarea artificială (IA). Acest tip de inseminare nu prezintă, în

general, dificultăţi de ordin moral în măsura în care este vorba de ajutor terapeutic pentru ca actul conjugal să fie complet în toate componentele sale.

Prelevarea spermei de la donatorul extraconjugal şi fecundarea artificială eterogenă nu este acceptată de Biserica creştină ca fiind contrară unităţii căsătoriei, demnităţii soţilor, vocaţiei părinţilor şi dreptului copilului de a fi conceput şi adus pe lume în cadrul şi prin viaţa de căsătorie.

FIVET reprezintă astăzi unul dintre punctele de frontieră în care ştiinţa şi tehnica, de pe o parte, şi etica, pe de altă parte, se află într-o confruntare dificilă. În SUA, preşedintele a constituit o comisie etică şi ştiinţifică specială pentru această problemă; în Anglia a lucrat Comisia guvernamentală Warnock, în Consiliul Europei un comitet cu caracter internaţional a făcut public documentul „Convenţia pentru protejarea drepturilor omului şi a demnităţii fiinţei umane faţă de aplicările biologiei şi ale medicinei”.

În cazul FIV, fecundarea adică unirea gameţilor este controlată şi condusă la termen în vitro şi pe cale artificială.

Exigenţe etice fundamentale susţinute de Biserică:- salvgardarea vieţii embrionului;- procrearea să fie rezultatul unirii şi raportului personal al soţilor

legitimi. În privinţa primei exigenţe cazul FIVET procedează la fecundarea mai multor embrioni pentru a garanta reuşita. Aşa-zisul „surplus” reprezintă o problemă etică şi juridică: poate fi eliminat, utilizat pentru experimente, producerea de cosmetice, pentru transferul la altă femeie. Această tehnică comportă o pierdere nejustificată de embrioni umani cărora bisericile creştine le recunoaşte structura şi valoarea de fiinţe umane.

Identitatea copilului conceputSe observă consecinţe atât grave, cât şi stranii. Copilul se naşte cu altă

identitate biologică decât cea socială. Exigenţa cunoaşterii identităţii biologice este recunoscută la nivel juridic în majoritatea ţărilor care au legiferat FIVET: donatorul este înregistrat centralizat, de unde copilul poate lua referinţe,

Există:- cazuri stranii: embrioni implantaţi după moartea tatălui donator

(fecundare omogenă) - „fii din lumea de dincolo” - când tatăl donator moare înaintea implantului şi văduva îşi doreşte un fiu din sperma tatălui decedat;

- cazuri posibile: băncile de embrioni: ejacularea unui bărbat ar putea fecunda multe ovule, apoi embrionii implantaţi în femei diverse, „paternitatea” donatorului trebuie să rămână necunoscută şi astfel în mod teoretic s-ar putea

84

Page 85: Ceasul Molecular Al Vietii 1

obţine o populaţie cu un număr de cosangvini care nu ştiu că au o legătură între ei;

- cazul copilului adoptat de o pereche homosexuală; cazul perechii de homosexuali bărbaţi care recurg la mame surogat, în timp ce două femei lesbiene ar putea obţine măcar ipotetic un copil prin procesul donării cu patrimoniul genetic al cuplului însuşi.

Charles Richert (Premiul Nobel pentru Pace) în lucrarea La selection humaine (1919) spunea, referindu-se la selecţia părinţilor când nu existau tehnicile actuale de procreare artificială că era vorba de un rasism liniştit. Astăzi gândirea poate intra în derivă, trecând de la cunoştinţe biologice incontestabile la o ideologie care poate fi calificată ca eugenism radical. Odată cu fecundarea in vitro şi posibilitatea de a selecţiona embrionii prin tehnicile de diagnoză preimplant se poate înregistra un nou impuls pentru idei eugeniste. Ne aflăm la al doilea nivel al eugeniei, nu numai prin selecţia donatorilor, ci prin aceea a gameţilor şi embrionilor cu succesiva eliminare a embrionilor care nu posedă caracteristicile cerute.

Mamele ,,surogat”. Femeile care plătind sume de bani şi folosindu-se de intermedierea unei agenţii au adus la termen, în contul unor terţe, gestaţia embrionilor fecundaţi în vitro cu ovul şi spermă de la alte persoane. Există cazul mamelor care, deşi aveau proprii copii, au acceptat această sarcină pentru a-i da un copil propriei surori sterile sau cazul „mamei închiriate” care, după ce a avut în gestaţie copilul comandat a refuzat să-1 mai dea, simţindu-l ca fiind propriul copil. Este o manipulare a corporalităţii copilului care primeşte patrimoniul genetic de la două persoane, în timp ce sângele, nutriţia şi comunicarea vitală intrauterină (cu consecinţe la nivel psihic) le primeşte de la altă persoană, de la mama înlocuitoare. Având în vedere probleme etico-juridice ale maternităţii „surogat” toate normativele existente cu excepţia statului Arkansas (SUA) interzic contractele de înlocuire sau le consideră juridic nonvalide.

85

Page 86: Ceasul Molecular Al Vietii 1

Bibliografie

Young Barbara, Lowe S. J. and all – Wheater’s Functional Hystology,

fifth edition, Elsevier Limited, 2006.

Gavrilă L. – Genetică, evoluţionism, ecologie, Ed. Didactică şi

Pedagogică, Bucureşti, 2002.

Marcu Elena – Compendiu pentru studiul celulei şi ţesuturilor, Ed. Cerna.

Mixich F., Biologie celulară şi moleculară, Ed. Sitech, 1998.

Rogoz I., Hertzog Zorica Ileana – Genetica, Ed. Medicală Universitară,

Craiova, 2002.

Raicu P. – Genetica, Ed. Didactică şi Pedagogică, 1991.

Baran Dana – Dimensiunea cronobiologică în medicină, Ed. Apollonia,

Iaşi, 1998.

Cotrutz C., Cotrutz Maria, Kocsis Carmen, Ionescu C. R. – Manual de

lucrări practice de biologie celulară – Ed. Tehnică, Chişinău, 1994.

Junqueira L. C., Carneiro J. – Basic histology – text & atlas, eleventh

edition, international edition, McGraw-Hill Companies, 2005.

86