celula si genomul

7/24/2019 Celula Si Genomul

1/21

Celula si Genomul

Organismele care acopera suprafata Terrei uimesc prin nenumarate diferente

care, totusi, converg in acelasi punct: viata. Descoperirile din ultimul secol nu au reusitsa dezvaluie misterul ce invaluie lumea vie, dar au raspuns la intrebari legate deereditate, structurarea materialului genetic.

Numarul speciilor care populeaza Pamantul este cuprins intre 1!1milioane."iecare specie se reproduce cu o mare precizie, transmitand materialulgenetic urmasilor care, astfel, mostenesc aceleasi caractere specifice parintilor lor.

#ceste fenomen poarta denumirea de ereditate fiind esential pentru e$istenta vietii.Oragnismele pluricelulare, precum organismul uman, contin grupuri de celule careindeplinesc aceeasi functie, formandu%se prin diviziunea initiala a unei singure celule.

Celula initiala este, astfel, ve&iculul ereditatii.Toate celulele stoc&eaza informatia ereditara in acelasi cod c&imic liniar, numit

#DN. #DN%ul este un polimer lung alcatuit din aceiasi patru monomeri, numiti #denina'#(, Guanina 'G(, Citozina 'C( si Timina 'T(. )onomerii sunt inlantuiti intr%o secventaliniara care cripteaza informatia ereditara. Daca inseram o portiune de #DN uman intr%obacterie, aceasta va putea fi cu succes citita, la fel si in cazul in care #DN%ul bacterianeste inserat in celula umana. Cu a*utorul metodelor c&imice, este posibila citireanucleotidelor care compun #DN%ul si descifrarea informatiei stocate de acesta.

+eplicare informatiei genetice se face prin polimerizare. #DN%ul dublu catenar

este alcatuit din nucleotide formate din aceleasi structuri: un monoza&arid, numitdezo$iriboza, la care este atasat un rest fosfat, si o baza azotata care poate fi adenina,guaniana, timina sau citozina. "iecare monoza&arid este legat de urmatorul prinintermediul restului fosfat legaturile se pot forma intre oricare din cele patru nucleotide.-n celulele vii, nicio noua catena de #DN nu se formeaza izolat de restul informatieigenetice sau de la sine. #DN%ul pree$istent reprezinta catena matrita pe care segrefeaza catena in formare, pe baza complementaritatii bazelor azotate. #denina estecomplementara Timinei, legandu%se printr%o legatura dubla, iar Citozina Guaninei,formand legaturi triple. e formeaza, astfel, #DN%ul dublu catenar, alcatuit dintr%o

catena matrita 'pree$istenta( si o catena fiica care se rasucesc una in *urul celeilaltepana la obtinerea dublului &eli$.

Pe langa stocarea informatia genetica, #DN%ul este responsabil si de e$primareaacesteia. -n acest scop, #DN%ul este transcris sub forma de #+N. #+N%ul este un acidribonucleic alcatuit dintr%un monoza&arid, numit riboza, de care este atasat un restfosfat, si patru baze azotate: #denina, Guanina, Citozina si /racil 'care inlocuieste


2/21

Timina specifica #DN%ului(. 0a nivelul celulei, catena de #+N este tradusa in alte lanturipolimere, precum proteinele. #cest procesc poarta denumirea de transcriptie.

Datorita formei monocatenare, #+N%ul este mai fle$ibil, putandu%se indoi si formalegaturi de &idrogen intre nucleotidele componente si complementare 'secventa de

nucleotide GGGG poate forma legaturi cu CCCC(. "orma sub care se impac&eteaza#+N%ul poate fi utila si specifica in recunoasterea altor structuri de care se poate lega.

Toate celule folosesc proteine drept catalizatori. Proteinele sunt lanturi polimericealcatuite din douazeci de tipuri de aminoacizi care se pot impac&eta in structuritridimensionale care le ofera specificitate. Proteinele catalizeaza diferitele reactii ce seproduc in interiorul celulei, prin ruperea sau crearea legaturilor covalente, dar participasi la procesele de semnalizare celulara, miscare, edificare a unor structuri.

Genele reprezinta un fragment din #DN care stoc&eaza informatia necesara

sintezei unui anumit tip de proteina. #cest mecanism faciliteaza sinteza proteinelornecesare celulei intr%un anume moment, evitand formarea compusilor suplimentari.

Celula este un sistem dinamic in interiorul caruia reactiile se desfasoara farastabilirea unui ec&ilibru c&imic, avand nevoie de energie libera si materii prime. nergialibera fundamentala pentru sustinerea vietii, se defineste ca. Transmiterea informatieigenetice este dependenta de procurarea energiei libere. )oleculele componente se aflaintr%o permanenta miscare putand forma structuri ordonate, cu conditia ca noile legaturisa aiba o energie mai mare decat entropia sistemului. -n urmatoare etapa, energialibera a acestora se transforma in caldura, prin formarea unuor structuri mai stabile

decat cele anterioare.)embrana plasmatica reprezinta un element comun tuturor celulelor,

comportandu%se ca o bariera semipermeabila ce permite produsilor de secretie sinutrientilor sa ramana in celula, in timp ce produsii de e$cretie sunt eliminati.lementele constituente au proprietatea de a fi amfifile 'o parte &idrofila, in contact cumediu apos, si o parte &idrofoba, insolubila in apa(, formand in mod spontan agregate.-n cazul fosfolipidelor, componenta ma*oritara a membranei, datorita caracteruluiamfipatic, se formeaza un bistrat lipidic. -n afara lipidelor, pentru realizarea functiei detransport intercelular, semnalizare celulara etc, celula are nevoie de proteina interpuse

intre componentele bistratului lipidic sau atasate de suprafata lipidelor.Celulele procariote

Din punct de vedere etimologic, cuvantul provine din greaca, formandu%se prinunirea cuvintelor 2eu3, care inseamna 2adevarat3, si 24ar5on3, sau 2nucleu3. Celulele potfi impartite in trei mari categorii, in functie de aspectele morfologice: bacterii,ar&ebacterii si eucariote. e considera ca ar&ebacteriile au evoluat din bacterii in


3/21

acelasi timp, sau poate inainte de aparitia eucariotelor, si populeaza spatii evitate deom, precum: mlastini, adancurile oceanelor, ape foarte sarate sau izvoare cu o aciditateridicata, putand fi intalnite, insa, si in locuri mult mai accesibile, precum solul, lacuri, sauintestine. 0a nivel morfologic, pot fi cu greu diferentiate de bacterii. -n timpul repicarii

#DN%ului se pot produce anumite greseli ce poarta numele de mutatii, e$istand riscultransmiterii acestora la nivelul celulelor fiice. -n cazul mutatiilor care afecteaza o genaresponsabila de sinteza unei proteine de importanta vitala, celula este distrusa, prinselectie naturala, in timp ce mutatiile care nu afecteaza functiile celulei sunt transmiseereditar. De%a lungul timpului, anumite parti ale genomului au suferit numeroasemodificari, iar altele au ramas intacte, permitand studierea ereditatii de%a lungulmileniilor . ubunitatile mici ale ribozomilor au a*utat la impartirea celulelor in cele treicategorii.

Orice noua gena provine din gene pree$istente, iar abatarile de la aceasta regulase pot produce in urmatoarele cazuri:

1. )utatiile intragenice: gena e$istenta poate fi sc&imbata din cauza unormodificari ce apar in timpul replicarii #DN%ului

6. Duplicarea genelor: aparitia unei perec&i de doua gene identice in aceeasicelula, dar a caror activitate se poate separa mai apoi in cursul evolutiei.

7. : doua sau mai multe gene pot fi fractionate si imperec&eate apoi, formand ogena &ibrida

8. Transferul intercelular 'orizontal(: o portiune din #DN%ul unei celule estetransmisa alteia, care poate apartine unei alte specii

Duplicarea genelor se produce, in mod normal, in cazul diviziunii celulei mama incele doua celule fiice. #ccidente ocazionale produc doar duplicarea unor anumite gene,formandu%se perec&i de gene identice. Dintre cele doua gene identice, una poate suferidiferite mutatii, iar in timpul evolutiei, poate da nastere unei gene ce realizeaza o fuctiespecifica si distincta in cadrul celuleiGenele ortologice sunt cele din doua specii diferite,dar care deriva de la acelasi ultim ancestru comun. Genele paralogice sunt cele inruditedin cauza duplicatiei, dar separate prin mutatiile pe care una dintre ele o sufera in cursulevolutiei. Genele &omologice sunt cele inrudite in descendenta, termenul ingloband celedoua relatii mai sus descrise.

Procariotele ofera, de asemenea, un bun e$emplu de transfer genic intercelularsau orizontal, prin intermediul virusurilor. 9irusurile nu sunt, in sine, celule vii, dar secomporta ca vectori pentru transmiterea genelor. #cestea sunt mici pac&ete de materialgenetic care se dezvolta ca paraziti pe o anumita celula gazda, apoi se replica simigreaza spre o alta celula , fiind insa acoperite de un strat protectiv, si infecteaza, infinal, noua celula. Celula infectata este omorata de proliferarea virusului in interiorulsau, in unele cazuri, transmite virusul din generatie in generatie. Transmitere se poate


4/21

face sub forma unui fragment distinct de material genetic, numita plasmid, fie subforma unei secvente inserate in genomul celulei gazda. #ceste transferuri pe orizontalasunt des intalnite in cazul procariotelor, in timp ce asupra eucariotelor nu au avut unefect vizibil.

sc&eric&ia coli 'nume abreviat: . coli( este o bacterie care trie te ;nintestinele organismelor cu s


5/21

acc&arom5ces cerevisiae sau dro*dia de bere, este un organism unicelular, mic,care face parte din regnul fungilor, fiind usor de crescut in culturi celulare. #semenicelorlalte ciuperci, aceasta are un perete rigid si imobil, contine mitocondrii, dar nu sicloroplaste si se poate reproduce la fel de usor ca bacteriile, fie pe cale vegetativa 'sauprin diviziune celulara(, fie pe cale se$uala. Prin studiul dro*diei de bere a fost elucidatmecanismul diviziunii celulare, genomul acesteia fiind descoperit in anul 1??B.-nformatia genetica insumeaza un total de 17,11B, nucleotide, incluzand sicontributia genomului mitocondrial format din B, 6 nucleotide. Numarul genelor estede 6. ori mai mare decat cel al . coli si codifica de 1. ori mai multe proteine. Pentru astudia regnul vegetal, #rabidopsis t&aliana a fost aleasa ca model, fiind usor de crescutsi inmultindu%se e$ponential dupa doar !1 saptamani.

0umea animala este cercetata prin intermediul viermilor 'Caenor&abditiselegans(, musculitelor de otet 'Drosop&ila melanogaster(, soarecilor ')us musculus( sia oamenilor 'Eomo sapiens(

Caenor&abditis elegans se inrudeste cu viermii aurii, si ataca cadavrele. Cu odurata de viata de doar cateva zile si cu abilitatea de a supravietui in medii foarte reci,reprezinta modelul ideal de studiu. #cesta se formeaza cu o deosebita precizie dintr%ocelula ou si are e$act ?? celule, plus un numar variabil de ovule sau spermatozoizi.$actitatea dezvoltarii si cunoasterea detaliata a fazelor de dezvoltare, au a*utat ladescifrarea genomului ce contine ?B milioade de nucleotide care codifica 1?,proteine. tudiile facute pe viermi a*uta la intelegerea diviziunii celulare si a mortiiacesteia, cu o importanta deosebita in cercetarile facute asupra bolilor neoplazice.

Drosop&ila melanogaster este un model ce a*uta la intelegerea dezvoltariivertebratelor, fiind folosit pentru prima data in urma cu de ani, cu scopul deslusiriilegilor ereditatii. %a descoperit, astfel, ca genele sunt parti componente alecormozomilor, componente ce pot fi observate in celulele eucariote, dar ale caror rolurinu erau inca cunoscute. Drosop&ila melanogaster are nevoie de doar zile pentru aevolua de la o celula ou la un organism adult. Genomul este alcatuit din 1B milioane denucleotide care codifica 18, de proteine. Drosop&ila melanogaster este folosita maides, in defavoarea vertebratelor, si datorita duplicatiilor genice ce apar cu o frecventamult mai mica decat in organismele comple$e. -n ultimii ani, Drosop&ila melanogaster aa*utat la identificarea anumitor mutatii la nivelul genelor si intelegerea sc&imbarilor pecare acestea le produc in organismul mutant.

Organismul vertebratelor este un rezultat al nenumaratelor duplicatii genice. -nmulte cazuri, un cluster de gene este deosebit de asemanator cu un alt cluster prezentintr%o alta portiune a genomului, fapt ce sugereaza ca duplicarea a fost facuta in grup, sinu pe gene individuale si izolate. Conform unei teorii, in cursul diviziunii, intreg genomuleste duplicat, dand nastere la 8 copii a fiecarei gene. Cu toate acestea, in cursul


6/21

evolutiei, gene care au fost la inceput identice au suferit un proces de diferentiere.2Pentru foarte multe funcFii celulare, e$ist c


7/21

Procesele c&imice si biosinteza

Componentele c&imice ale celulei

)ateria este formata din elemente c&imice, substante ce nu pot fi maruntite sauconvertite in alte substante pe cai c&imice, elemente precum Carbonul si Eidrogenul.Cea mai mica particula a unui element c&imic este atomul. )asa atomica a unui atomsau masa moleculara a unei molecule reprezinta masa relativa, raportata la un atom de&idrogen, ec&ivalentul numarului de protoni si neutroni continuti, intr%cat masaneutronilor este mult mai mica, putand fi negli*ata. )asa este deseori data in Daltoni, undalton fiind masa atomica apro$imativ egala cu cea a unui atom de &idrogen.

-nteractiunile ce se produc intre atomi sunt dictate de dinamica electronilor.Protonii si neutronii din nucleul atomic participa la intersc&imburi in cazuri e$trem derare, precum procese radioactive sau fenomene ce au loc in interiorul soarelui. -ntesuturi, electronii sufera rearan*amente, formand e$teriorul atomului. lectronii au odinamica aparte, care se supune unor legi speciale, precum:

lectornii pot e$ista doar pe orbite care accepta un numar strict departicule incarcate negativ

lectronii care se afla cel mai aproape de nucleu sunt atrasi de acesta cuforte mai mari. Pe acest strat pot e$ista ma$imum 6 electorni. /rmatorulstrat este mai departat de nucleu si este mai putin legat de acesta. #ltreiea strat contine ma$imum electroni, iar straturile patru si cinci potavea cate 1 electroni fiecare.

#tomii cu mai mult de patru straturi de electorni sunt foarte rar intalniti inorganismele vii

#tomul este cu atat mai stabil cu cat electronii acopera straturile cele maiapropiate de nucleu

#tomul care are ultimul start complet este stabil din punct de vederec&imic si nereactiv 'e$emple: &elium, argon, neon, gaze inerte(. #lti atomicare au ultimul strat incomplet sunt anga*ati in procese de cedare siacceptare de electroni pentru a a*unge la un ec&ilibru

Transferurile de electroni intre diferiti atomi produc formarea a doua tipuri delegaturi: legaturi ionice 'cand electronii sunt donati de la un atom la altul(, sau legaturicovalente 'cand doi atomi impart o perec&e de electorni(. 0egaturile ionice rezulta dinatractia unui ion incarcat pozitiv, numit cation, cu unul a carui sarcina electrica estenegativa, numit anion. 2pre deosebire de lagturile covalente sau cele de &idrogen,legaturile ionice nu au o geometrie specifica, deoarece campul electrostatic in *urul


8/21

ionului este uniform in toate directiile3 @6A. -n cazul legaturilor covalente, perec&ea deelectroni pusi in comun poate fi atrasa cu mai mare putere de atomul maielectronegativ, fiind o legatura covalenta polara. 0egturile covalente e$ista sub formamai mult tipuri. O legatura simpla covalenta implica e$istenta a doi electroni, fiind dintrecele mai raspandite legaturi. Prin punerea in comun a patru electroni, cate doi dinpartea fiecarui atom, poarta numele de legatura dubla, fiind mai scurta si mai puternicadecat precedenta si avand inflenta asupra geometriei compusului format. 0egtura dublaimpiedica rotatia in *urul legaturii, dand nastere unei structuri rigide si mai putin fle$ibila@7A

#pa este cel mai abundent component al unei celule, reprezentand apro$imativBH din greutatea celulei. 0egturile c&imice dintre o$igen si cei doi atomi de &idrogensunt foarte polare, deoarece o$igenul este puternic electronegativ, in timp ce E esteputin electronegativ. Prin urmare, e$ista o distribuire anormala de electorni in moleculaapei, cu o preponderenta de sarcini pozitive la nivelul E si sarcini negative la O. Prininteractiunea unei portiuni puternic electronegative, cu o portiune slab electronegativa,se produc legaturi de &idrogen. #cestea sunt importante in stabilirea proprietatilor apei,elucidarea structurii tridimensionale a proteinelor si formarea legaturilor dintre bazeleazotate in acizii nucleici @8A

)oleculele polare se impart in acizi si baze. Prin cedarea unui electron, atomulde E este incarcat pozitiv si poarta denumirea de proton, notat EI. -n contact cu apa,EI este atras de partea electronegativa a O si se asociaza cu molecula de apa,formand ionul &idroniu 'E7OI(. ituatia inversa poate avea loc la fel de rapid, caurmare, apa pura are o concentratie mica si egala de ioni E7OI si OE! '1 !B )(.ubstantele care elibereaza protoni si formeaza E7OI cand sunt dizolvate in apa poartanumele de acizi. Cu cat mai mare este concentratia de E7OI, cu atat mai acida estesolutia, iar cantitatea de OE! scade. Opusul acidului este baza, a carei proprietate esteaceea de a accepta protoni, scazand concentratia de E7OI

-n solutiile apoase, legaturile covalente sunt de 1!1 de ori mai puternice decatfortele de atractie dintre ceilalti atomi. 0egatura este mediata de un atractiinoncovalente care in mod specific sunt slabe, dar a caror energie se aduna pentru acrea uniunea a doua molecule separate. #stfel, in ordinea descresterii puterii lor,legaturile sunt: legaturi covalente, legaturi necovalente: ionice, de &idrogen sau van derJaals. 2-n cazul legaturilor van der Jaals, distributia sarcinilor electrice din *urulatomului se sc&imba in timp. -n niciun moment aceasta nu este simeptrica perfect.

#ceasta asimetrie din *urul unui atom, prin interactiuni electrostatice. -nduce o asimetriecomplementara in distributia electronilor din *urul celuilalt atom vecin. Prin urmare,atractia rezultanta dintre cei doi este crescuta si sunt mai apropiati, pana a*ung sa fieseparati de fortele de respingere care apar la apropieri prea mari3 @A


9/21

#l patrulea motiv care aduce moleculele impreuna nu este o legatura, ci forta&idrofobica, cauzata de respingerea unei portiuni nepolare din reteaua de apa culegaturi de &idrogen, pentru a impiedica interferarea cu interactiunile favorabileprestabilite. Prin aducerea impreuna a doua portiuni &idrofobe, este redusainteractiunea acestora cu apa. Totodata, fortele &idrofobe sunt importante pentruimpac&etarea proteinelor.

/n component important al celulelor este carbonul, daca facem abstractie de apasi alti ioni. Carbonul intra in alcatuirea tuturor structurilor, fiind de departe urmat desilicon. "iind un atom mic ce contine patru electroni pe ultimul strat, acesta permiteformarea a patru legaturi covalente. Totodata, un atom de carbon se poate lega de unaltul prin legaturi simple, duble sau triple, foamand lanturi si structuri comple$e.

)onoza&aridele sunt compusi a caror formula generala este 'CE 6O(n unde n arevalori mai mari decat 7. Glucidele si compusii alcatuiti din glucide poarta denumirea de

carbo&idrati. -n functie de modul de aran*are a C, O si E se poae obtine o varietate deastfel de compusi. Ca e$emplu, gluzoca poate fi transformata in manoza prinsc&imbarea directiei unei grupe OE, foamandu%se un izomer optic. -zomerii optici sepoarta ca obiectul si imaginea lui in oglinda. Cu toate ca din punct de vedere structuralsunt identici, activitatea lor biologica este distincta. )odul in care glucidele se leagatpentru a forma polimeri este unul tipic: legatura se formeaza intre gruparile OE aleglucidelor prin condensare, cu eliminarea unei molecule de apa. +eactia inversa poartadenumirea de &idroliza. Deoarece fiecare monoza&arid are K grupari OE care potparticipa la reactia de condensare, numarul de posibilitati pentru formarea polimeriloreste e$trem de mare. Glucoza poate fi redusa in compusi mai mici cu functia de aasigura celulei energia necesara realizarii principalelor functii. Cu toate acestea,glucidele pot fi utilizate si ca suport mecanic, sau se pot lipi de proteine si lipide,formand glicolipide si glicoproteine, cu rol structural.

#cizii grasi, precum acidul palmitic, sunt alcatuiti dintr%un lant de carbon,&idrofob, si o coada &idrofila, e$trem de reactiva, reprezentatade gruparea carbo$il.

#cidul palmitic este saturat, deoarece legaturile dintre elementele componente serealizeaza prin legaturi simple. Pe de alta parte, acidul oleic este un e$emplu decompus ce contine legaturi duble, care interfereaza cu capacitatea acestora de a seimpac&eta intr%o structura mai compacta. #cizii grasi sunt depozitati in citoplasmacelulelor sub forma de trigliceride, alcatuite din glicerol si trei tipuri de acizi grasi. Candeste nevoie de energie, triacilglicerolul este mobilizat, putand produce de sase ori maimulta energie decat o molecula de glucoza. "osfolipidele au rol structural, intrand incomponenta membranelor celulalre. #cestea au un caracter amfifil, alcatuind bistratullipidic specific.


10/21

#minoacizii stau la baza formarii proteinelor, avand o structura comuna lacarbonul alfa, se leaga o grupare carbo$il, o grupare amino si o catena ca difera dinpunct de vedere morfologic. Toate organismele vii au un total de 6 de aminoacizi carepot intra in alcatuirea proteinelor. Nu se stie e$act dupa ce criterii au fost acestiaselectionati. Din numarul lor, pot fi purtatori de sarcini electrice.

)onomerii care alcatuiesc lanturile polimerice au functii diferite fata de cea finala,destinata noului compus. Proteinele sunt cele mai abundente structuri si *oaca rolurie$trem de importate si diverse. #cestea pot functiona ca enzime ce catalizeazaformarea sau ruperea unei reactii, producerea sau stocarea energiei. 0egaturilenecovalente stabilesc atat forma structurii, cat si legaturile pe care aceasta le va formacu alte componente. Cu cat se formeaza mai multe legaturi necovalente, cu atatstructura este mai rezistenta. #stfel, sunt posibile interactiunile de orice tip, acesteaputandu%se disocia usor la nevoie.

+eactiile c&imice produse in interiorul celulei ar avea nevoie de o temperaturamult mai mare decat cea normala. Ca atare, fiecare reactie necesita o amplificare areactivitatii c&imice, care se poate face doar cu a*utorul enzimelor. "iecare enzimaaccelereaza 'sau catalizeaza( doar una din multitudinea de reactii c&imice posibile.+eactiile catalizate de enzime sunt de obicei inlantuite, astfel incat produsii unei reactiidevin substraturi pentru urmatoarea. )etabolismul celular integreaza cele doua cai:calea catabolica, prin care nutrientii sunt degradati pana la molecule mici cu scopulobtinerii energiei si a &ranei, si calea anabolica, care utilizeaza energie pentru a creamacrostructuri din molecule mici.

Conform celei de!a doua legi a termodinamicii, orice sistem tinde spre o stare dedezordine cat mai mare, denumita cresterea entropiei 'cu cat mai mare estedezordinea, cu atat mai mare este entropia(. #cesta este un proces spontan, carenecesita un efort periodic pentru a putea fi inversat. Celulele vii, prin procesele decrestere si formare de structuri, produc ordine in sistem, sfidand legea a doua atermodinamicii. )otivul este faptul ca celula nu este un organism izolat. a capteazaenergie din mediul e$terior pentru a face ordine in interior. -n cursul reactiilor careproduc ordine in celula, parte din energia consumata este transformata in caldura.Caldura este eliberata in mediul de viata al celulei si produce dezordonarea acestuiaprin intensificarea interactiilor si dinamicii particulelor e$istente in *ur.

nergia solara este captata de plante si utilizata prin procesul de fotosinteza,care converteste energia electromagnetica in energie c&imica in interiorul celulei.Planele obtin orice atom necesar din surse anorganice, apoi utilizeaza energia c&imicapentru a transforma atomii in glucide, aminoacizi, nucleotide sau acizi grasi. #cestemolecule mici, la randul lor, sunt convertite in macrostructuri ce servesc ca &rana pentruanimale. "otosinteza are loc in doua etape:


11/21

1. nergia solara este stocata ca energie c&imica de atomii activati, in timpce o$igenul este eliminat ca produs rezidual prin scindarea legaturilor dinapa.

6. #tomii care servesc ca purtatori de energie sunt utilizati pentru sintezaglucozei din dio$id de carbon si apa.

lig&t energ5 I CO6 I E6O !I sugars I 6 I &eat energ5

Celulele animale obtin energie prin o$idarea moleculelor organice. #tmosferaterestra este bogata in o$igenul in prezenta caruia cea mai stabila forma energetica acarbonului este sub forma CO6, iar a &idrogenului, sub forma apei. #stfel, o celula areposibilitatea de a obtine energie din glucide permitand carbonului si &idrogenului sainteractioneze cu o$igenul, proces numit respiratie celulara. "otosinteza si respiratiacelulara sunt procese complementare.

O$idarea si reducerea implica transfer de electroni. O$idarea nu implica numaiaditia atomilor de o$igen, si se referea la orice reactie in care electronii sunt transferatide pe un atom pe altul. #stfel, o$idarea se refera la cedarea unor electroni, in timp cereducerea implica acceptarea electronilor. Niciun electron nu ramane liber, cele douarelatii fiind interdependente si coe$istand. Celula utilizeaza enzime care catalizeazao$idarea moleculelor organice la compusi in pasi mici. Pentru a putea participa la oreactie c&imica, moleculele au nevoie de energie de activare care. )oleculele dininteriorul celulelor percep energia de activare prin coliziunea cu alte structuri, caredevine mai puternica pe masura cresterii temperaturii. -n celulele vii, energia de activareeste produsa de enzime care actioneaza la nivelul substratului. O substanta care poatereduce energia de activare necesara desfasurarii unui proces c&imic se numestecatalizator. Catalizatorul mareste raspunsul c&imic prin marirea suprafetei de coliziuniedintre cele doua structuri. nzimele sunt cei mai puternici catalizatori cunoscuti, capabilide a mari viteza de reactie de 118ori. Totodata, enzimele sunt e$trem de selective,reducand energia de activare a unei reactii specifice si prestabilite. O enzima estecapabila sa catalizeze o reactie la nivelul a cateva sute de substraturi in fiecaresecunda, fapt ce necesita o legare e$trem de rapida la nivelul fiecarui substrat. Dar atat

substraturile, cat si numarul de enzime, sunt reduse la nivel celular. 0egarile rapide suntposibile deoarece energia termica eliberata accelereaza preocesele ce se produc lanivel molecular. )iscarile moleculare pot fi clasificate astfel: '1( miscarea unei moleculedintr%un loc in altul, '6( miscarea rapida inainte si inapoi a atomilor legati covalent,numita vibratie, '7( rotatia. #stfel, fiecare molecula este supusa coliziunii cu un numarimens de alte molecule. nzimele se misca mult mai incet decat substratul, putand ficonsiderate structuri stationare, in pozitie de repaus. O data ce enzima si substratul


12/21

s%au unit, formeaza numeroase legaturi slabe care persista pana cand miscarea termicaproduce disocierea moleculelor. Cu cat este mai puternica unirea celor doua, cu atat vafi nevoie de o energie termica mai mare pentru a produce disocierea.

nergia libera ofera informatie cu privire la modul de desfasurare a reactiei

c&imice. O reactie se poate produce spontan daca energia libera este negativa, reactienumita e$ergonica. /n sistm este in ec&ilibru si niciun sc&imb nu poate avea loc, dacaenergia libera este egala cu . O reactie nu se poate produce spontan daca energialibera este pozitiva, reactie numita endergonica @KA

nergia eliberata de procesele de o$idare trebuie sa fie temporar stocata inaintede a fi canalizata spre construirea edificiilor necesare celulei. -n ma*oritatea cazurilor,energia este depozitata ca energie c&imica intr%un grup de 2molecule transportoare3,numite coenzime, care contin una sau mai multe legaturi macroergice. Transportoriiactivati stoc&eaza energia intr%o maniera usor de sc&imbat. Cei mai importanti

reprezentanti ai acestei clase sunt #TP%ul, N#DE%ul si N#DPE%ul. Cel mai utilizat este#TP%ul, ale carui legaturi sunt numite legaturi macroergice, deoarece &idroliza acestoraeste insotita de o scadere considerabila a energiei libere. #TP%ul poate fi &idrolizat la

#DP si un rest fosfat, sau la #)P si un rest pirofosfat care, la randul sau, contine o


13/21

legatura macroergica. @BA

N#D I, este o coenzima ce se gaseste in toate celulele vii. Compusuleste o dinucleotid,deoarece const din dou nucleotide unite prinintermediul gruparilor defosfat, cu o nucleotida conFin


14/21

alternativ, maimulte componente comple$e ale coenzimelor sunt preluate dinalimente cavitamina numit niacin. Compui similari sunt eliberati de reacFiicaredescompun structura N#D I. #ceste componente preformate apoi trecprintr!o cale de salvare care le recicleaz ;napoi ;n forma activ. O parte dinN#D I este, de asemenea, convertit ;n fosfat !nicotinamidadenindinucleotida 'N#DP I(.

Celulele obtin energie necesara din energia c&imica inmagazinata in&rana, care devinde, astfel, combustibilul lumii vii. )onoza&aridele sunt inmod special combustibilul preferat al celulei, fiind o$idate treptat pana ladio$id de carbon si apa. Prima etapa a procesului este numita glicoliza,produce #TP fara implicarea o$igenului molecular si se produce in citosolulcelulelor, inclusiv in cel al microorganismelor anaerobe. -n timpul acestuiproces, o molecula de glucoza este convertita in doua molecule de piruvat.Pentru activarea fiecarei molecule de glucoza, sunt consumate douamolecule de #TP, in timp ce patru molecule de #TP sunt produse pana lafinalul procesului. -n final, bilantul energetic este de doua moleculeconsumate la patru produse, astfel incat glicoliza produce 6 molecule de #TP.Cu toate ca o$igenul molecular nu este implicat in glicoliza, o$idarea seproduce, iar N#DI este redus la doua molecule de N#DE. -n organismeleaerobe, N#DE doneaza electronii lantului transportor de electroni, iar N#DI

este din nou utilizat in glicoliza. +ezerva de glucoza a organismului umaneste reprezentata de glicogen, a carui sinteza sau degradare sunt usorcontrolate de necesitatile energetice ale organismului. Cu toate acestea,

grasimile inmagazineaza cu aproape de doua or mai multa energie decatglucidele. )a*oritatea organismelor animale isi pot procura intre mese energiadin grasimi, in timp ce postprandial, cea mai mare cantitate de energieprovine din glucide. caderea cantitatii de glucoza din sange sc&imbamacazul organismului pe linia de grasimi. Glucidele pot fi cu usurintaconvertite in grasimi, in cazul e$istentei unui surplus, dar situatia inversa nueste valabila.

-n organismul aerobic, piruvatul rezultat din glicoliza estetransportat in mitocondrie, unde este decarbo$ilat si transfromat in acetil!Co#

de comple$ul multienzimatic al piruvatde&idrogenazei. #cizii grasi dincirculatia sanguina sunt la randul lor transportanti in mitocondrie unde are loco$idarea lor pana la acetil!Co#, cu producerea "#DE6 si a N#DE%ului. Ciclul


15/21

acizilor tricarbo$ilici produce N#DE prin o$idarea acetiului la CO6.

#minoacizii si nucleotidele sunt parte a ciclului azotului, constituent important almacromoleculelor organismului. #zotul si sulful trec din structura in structura, intreorganism si mediul incon*urator, prin intermediul unor cicluri reversibile. Cu toate caazotul abunda in atmosfera terestra, el este inactiv c&imic sub forma de gaz. "i$areaazotului poate fi facuta doar de anumite microorganisme si de catre anumite procesegeofizice. 9ertebratele isi primesc ratia normala de azot din proteinele si acizii nucleici

ingerati. #pro$imativ *umatate din aminoacizii care intra in alcatuirea proteinelor nu pot fisintetizati din alti compusi, fiind numiti aminoacizi esentiali, in timp ce a doua *umatatepoate fi sintetizata din compusi intermediari altor procese. #minoacizii neutilizati insinteza proteinelor pot fi o$idati la CO6 si apa, in timp ce azotul intra in alcatuirea ureeicare este e$cretata.


16/21

P+OT-N

"orma si structura proteinelor

"orma proteinei este dictata de secventa de aminoacizi componenti. "iecaredintre cei 6 de aminoacizi care intra in alcatuirea proteinelor are proprietati c&imicespecifice, iar legatura dintre ei se face prin legaturi polipeptidice. -mpac&etareaproteinelor este determinata de realizarea lgaturilor covalente si a celor necovalente,care pot uni parti opuse sau departate ale aceleasi proteine. Printre aceste legaturislabe, necovalente, se numara legatura de &idrogen, fortele de atractie si legatura vander Jaals. Cu toate ca acestea sunt de la 7, pana la 7 de ori mai slabe decat olegatura covalenta, insumarea fortelor e$ercitate asupra structurii proteinei are un role$trem de important. Totodata, respingerile &idrofile!&idrofobe influenteaza structura

finala. #sadar, distributia aminoacizilor polari si a celor nepolari stabileste timpul destructura proteica.

Proteinele se impac&eteaza dupa principiul minimului de energie necesaramentinerii structurii, astfel incat ma*oritatea adopta o conformatie tridimensionala. tapafinala a acestui proces minimalizeaza consumul energiei libere.

C&iar daca o proteina se poate impac&eta in mod corect, fara a*utor din e$terior,in celulele vii e$ista structuri speciale, numite c&aperoni, care asista acest proces.C&aperonii se leaga de polipeptidele partial impac&etate si a*uta la progresul acestoraspre starea cea mai avanta*oasa din punct de vedere energetic. C&aperonii impiedica

e$punerea partilor &idrofobe la suprafata de contact cu mediul apos. C&aperonii pot fidefiniti ca un grup mare si divers de proteine care impartasesc proprietatea de a asistaformarea sau desfacerea legaturilor necovalente din structurile macromoleculare, cuscopul de a asigura functionarea corecta a acestora. #ceasta este o definitiefunctionala, nu una strucurala, cu toate ca nu e$ista bariere in dinamica acestormolecule. C&aperonii pot fi impartiti din doua grupe, in functie de dimensiuni: c&aperoniicu dimensiuni mai mici de 64D 'inclusiv &spB, &sp8( care inglobeaza si c&aperoniiaflati in membrana celulara, care impiedica agregarea altor proteie transmembranare.C&aperonii mici se leaga de structurile &idrofobe si nu afecteaza conformatia proteinei,

ci doar actioneaza asupra timpului de e$punere la componenta apoasa.

@A

tructurile de L!&eli$ si M!foaie plisata au fost descoperite in urma cu de ani,prin studii realizate asupra parului si a pielii. Proteina la care a fost identificata structurade L!&eli$ este L!4eratina, iar M!foaie plisata a fost observata la fibrina. Cea din urmastructura are specifica orientarea antiparalela a lanturilor componente, structura fiindunita prin legaturile de &idrogen. L!&eli$ ul se formeaza cand un singur lant polipeptidicse rasuceste in *urul sau pentru a forma un cilindru rigid. O legatura de &idrogen se


17/21

formeaza la fiecare a patra legatura peptidica, legand CO a unui peptid, de N!E aceluilalt, dand nastere unui &eli$ complet, a carui pas este de 7.K aminoacizi. Proteineleimplicate in semnalizarea celulara si in constructia membranei adopta aceastaconformatie. -n alte cazuri, aceste proteine se infasoara una in *urul celeilalte pentru aforma o structura cat mai stabila.

>iologii au identificat patru nivele de organizare in structura proteinelor. ecventade aminoacizi este cunoscuta sub numele de structura primara. Pliurile care formeazaL!&eli$ si M!foaie plisata sunt considerate structuri secundare, in timp ce conformatiatridimensionala este numita structura tertiara. Daca o proteina este formata din mai multde un lant polipeptidic, se numeste structura cuaternara.

Domeniile proteice sunt substructuri produse de orice parte a unui polipeptid,care se pot impac&eta independent intr%o structura stabila si compacta. /n domeniucontine in mod normal intre 8 si 7 aminoacizi. Domeniilor le sunt atribuite diverse

sarcini. Cu cei 6 de aminoacizi capabili sa formeze lanturi polipeptidice, se pot forma68 lanturi peptidice de 8 aminoacizi. Organismul uman are nevoie de doar 7aminoacizi pentru a putea functiona normal. Doar o mica parte din proteinele formatevor adopta o structura tridimensionala stabila. Prin selectia naturala, o proteina cu ostructura variabila si o activitate bioc&imica atipica, va fi eliminata, deoarece este putinprobabil ca aceasta sa aibe o functie in mentinerea functiilor vitale la nivel celular.

)ulte proteine formeaza filamente lungi, elicoidale, asemeni actinei. Constituieapro$imativ 6H din totalul proteinelor structurale ale celulelor musculare. 0a mamiferee$ista K tipuri diferite de actina: 8 alfa actine, o actina beta si o actina gamma. #ctinele

alfa sunt intalnite in celulele musculare, iar celelalte doua in celulele nemusculare.)onomerul de actina globulara G are 7B reziduuri de ## si o greutate de 87 4Da."iecare monomer de actina G globulara prezinta situsuri de legare ce mediazainteractiunea cap!coada cu alti doi monomeri, a.i este posibila polimerizarea si formareade actina "'polimerizata, filamentoasa(. "iecare monomer este rotit cu 1KK grade incadrul filamentului, acesta fiind motivul pt care actina " se constituie ca un dublu &eli$.Deoarece toti monomerii sunt orientati in aceeasi directie, filamentul de actina are opolaritate distincta si doua capete 'I si !(, diferite unul de celalalt. #ceasta polaritate afilamentelor de actina este importanta atat in asamblarea, cat si in stabilirea unei directiiunice a miscarii relative a miozinei in raport cu actina. Prima treapta a polimerizariiactinei este numita nucleatie si consta in formarea unor agregate mici, alcatuite din treimonomeri de actina G. "ilamentele de actina pot in urmatoarea etapa sa creasca prinaditie reversibila de monomeri la ambele capete'I. !(. )onomerii de actina leaga deasemenea #TP, care este &idrolizat la #DP, urmand asamblarea filamentelor. Cu toateca polimerizarea nu solicita #TP, monomerii de actina care leaga #TP polimerizeazamult mai repede decat aceia care leaga #DP.


18/21

Deoarece polimerizarea este reversibila, filamentele se pot scurta prin disociereasubunitatilor de actina, depolimerizand cand este necesar. De aceea, e$ista un aparentec&ilibru intre forma G si forma " de actina, care depinde de concentratia monomerilorliberi. +ata cu care monomerii de actina sunt incorporati in filamentele de actina estedirect proportionala cu concentratia lor la nivelul citosolului. e numeste concentratiecritica de monomeri de actina, concentratia la care rata de polimerizare in filamenteeste egala cu rata de disociere. 0a aceasta concentratie critica, monomerii sifilamentele sunt aparent in ec&ilibru. @?A

"unctia proteinelor

Proteinele au capacitatea de a interactiona cu alte structuri. O substanta care seleaga de proteina se numeste ligand pentru proteina. Capacitatea proteinei de a lega

selectiv si cu o mare afinitate diferiti liganzi depinde de formarea unui set de legaturislabe, necovalente. #ceste legaturi se pot produce doar daca suprafata activa aligandului se ataseaza foarte aproape de proteina, asemeni unei manusi pe manadreapta. +egiunea de pe proteina care ataseaza ligandul este deseori o depresiuneformata din asezarea specifica a aminoacizilor. -n acest fel, partea peptidica inactiva inmod normal poate fi activata pentru a forma sau a rupe legaturi covalente.

Proteinele au rolul in semnalizarea celulara. )area familie a receptorilorc5to4inici include receptori pentru multe tipuri de mediatori locali, denumiti colectivc5to4ine, precum si receptori pentru &ormoni, spre e$ pentru prolactina. #cesti receptori

c5to4inici, transmembranari, sunt asociati cu t5rozin!4inaze din citoplasma ' deci, legatela endodomeniu(, denumite anus Qinases ' #QRs(. #QRs se fosforileaza intre ele,precum si fosforileaza si astfel activeaza proteine numite T#Ts 'signal transducers andactivators of transcription(. Proteinele T#T sunt localizate in citosol si sunt generegulatorii latente, deoarece ele migreaza in nucleu si induc transcriere DO#+ dupa cesunt activate. +eceptorii pentru c5to4ine sunt dimeri sau trimeri stabil asociati cu 1 sau6 din 4inazele anus cunoscute ' #Q1,#Q6,#Q7, T54 6( .

0egarea ligandului de tip c5to4inic produce modificari conformationale, in sensul in careapropie intre ele 4inazele anus de pe fiecare monomer al receptorului c5to4inic. #stfel,

#QRs se fosforileaza intre ele, sporindu!si reciproc activitatea. De asemenea, #QRsfosforileaza resturi de t5rozina din structura receptorului, creand situsuri fosfot5rozinice.

2Dupa legarea proteinelor T#T in situsurile fosfot5rozinice, sunt si ele la randul lorfosforilate de #QRs S dezatasarea fiecarei proteine T#T de pe receptorul dimeric ,urmand dimerizarea in citosol a celor 6 T#T , prin intermediul domeniilor E6.


19/21

-n aceasta forma, dimerul T#T este translocat in nucleu, unde activeaza transcriereagenica.

Ca mecanisme de feedbac4in&ibitie, trebuie precizat faptul ca dimerii T#T pot activatranscrierea unor gene ce codifica sinteza unor proteine in&ibitorii ale caii in sine, prin

desfosforilari fie ale 4inazelor anus, fie ale dimerilor T#T.3 @1A


20/21

nzimele sunt proteine catalitice care maresc viteza de reactie si catalizeazaacizii si bazele in mod simultan. #ceste reactii se produc atat de repede, incat singuralimita este viteza de difuzie. 9iteza de reactie poate fi marita prin formarea comple$elormultienzimatice. -n mod reversibil, proteinele isi modifica structura atunci cand ligandulse leaga de ele. )odificarile alosterice ale conformatiei proteinei, produse de un ligand,afecteaza modul de legare al urmatorului, iar acest mecanism de legare reprezinta oetapa importanta in semnalizarea celulara. Caile metabolice sunt controlate prinmecanisme de feedbac4 unele molecule au rolul de a stimula, iar altele de a in&ibaprocesele metabolice.-n feedbac4%ul de in&ibitie, un produs rezultat in utlmele faze aleprocesului in&iba o enzima a caruei rol este pregnant la inceputul aceste activitati. Cutoate acestea, oricand se acumuleaza cantitati crescute de produs final, acesta seleaga de enzima si incetineste activitatea sa.

nzimele alosterice pot avea doua sau mai multe situsuri active, de recunoasterea liganzilor, cat si situsuri de reglare. -ntre aceste situsuri trebuie sa e$iste comunicare,pentru a informa celula despre compusii ce se prind de partea opusa.


21/21

Note bibliografice

1. Tratat de >iote&nologie, Cap.7 Cromozomul la organisme pro! i eucariote,

pag 16. )olecular Cell >iolog5. 8t& edition. ection 6.6Noncovalent >onds 'ursa:NC>-(

7. )olecular Cell >iolog5. 8t& edition. ection 6.6Noncovalent >onds 'ursa:NC>-(

8. )olecular Cell >iolog5. 8t& edition. C&apter 6C&emical "oundations

. >ioc&emistr5. t& edition. >erg ), T5mocz4o 0, tr5er 0. NeU Vor4: J E"reeman 66. ection 1.7C&emical >onds in >ioc&emistr5

K. >ioc&emistr5. t& edition. >erg ), T5mocz4o 0, tr5er 0. NeU Vor4: J E"reeman 66. ection .6"ree nerg5 -s a /seful T&ermod5namic "unctionfor /nderstanding nz5mes

B. T&e Cell: # )olecular #pproac&. 6nd editionCooper G).underland')#(: inauer #ssociates 6, )etabolic nerg5

. )adame Curie >ioscience Database #ustin 'TW(: 0andes >ioscience 6?. >iomembranele, unitate in diversitate )ircea 0eabu si Tamara Nec&ifor ,

618

1.>iomembranele, unitate in diversitate )ircea 0eabu si Tamara Nec&ifor ,61811. &ttp:unilab.roeninformatiidespre!esc&eric&ia!coli
http://www.whfreeman.com/http://www.whfreeman.com/http://www.sinauer.com/http://www.landesbioscience.com/curie/http://unilab.ro/en/informatii/despre-escherichia-coli/http://www.sinauer.com/http://www.landesbioscience.com/curie/http://unilab.ro/en/informatii/despre-escherichia-coli/http://www.whfreeman.com/http://www.whfreeman.com/

celula si genomul

Documents