1. Introducere în biologia celulară şi moleculară 1.1. Definiţia şi obiectul de studiu Biologia celulară - ramură a ştiinţelor biologice care studiază structura şi funcţiile celulelor la modul general (o celulă ideală). Obiectivul biologiei celulare - dezvăluirea legilor generale de desfăşurare a proceselor vitale la nivelul de organizare celulară. Definiţia celulei: Celula este unitatea elementară a lumii vii, produs al unei îndelungate evoluţii, cu o ordine internă complexă, ce-i conferă capacitatea de creştere, dezvoltare şi reproducere, precum şi cu o organizare dinamică, aflată în relaţii de echilibru cu mediul înconjurător. 1.2. Evoluţia cunoştinţelor despre celule Studiul celulei a progresat pe plan morfologic şi funcţional, pe plan conceptual (teoretic) cât şi pe plan practic (metodologic, tehnici de investigare a celulei). Secolul XVI: inventarea microscopului optic. Anul 1665: descoperirea primelor celule (Robert Hooke); observarea celulelor libere - A. van Leeuwenhoek Anul 1831: prima generalizare - nucleul este o componentă constantă şi fundamentală a celulei (Robert Brown) Anul 1836: descoperirea nucleolului în nucleu (Valentin) A doua generalizare: conţinutul celulei – protoplasma, împărţită în citoplasmă şi carioplasmă si delimitată de membrana celulară (plasmalema). Anul 1839: teoria celulară (botanistul Schleiden şi zoologul Schwann). Teza I.1. Corpul tuturor plantelor şi animalelor este format din celule sau din substanţe provenite din celule. 2. Celulele au o viaţă a lor, proprie fiecărei celule. 3. Viaţa individuală a celulelor este dominată de viaţa organismului în ansamblu. Teza II. Toate celulele provin din celule preexistente (“omnis cellula e cellula” – Virchow). Teza III. Toate celulele plantelor şi animalelor provin din diviziunea şi creşterea unui ou fecundat, format prin unirea altor două celule, spematozoidul şi ovulul.Clonarea a modificat această teză. Anii 1850-1900: - perfecţionarea microscopiei optice

- descoperirea diviziunii celulare directe (amitoza) şi indirecte (mitoza) şi a cromosomilor

- descrierea unor organite citoplasmatice: centrul celular, mitocondriile, aparatul Golgi

- apariţia citologiei clasice, la sfârşitul sec. XIX, având ca obiect de studiu celula, iar ca metodă principală microscopia optică

- primul tratat de “Patologie celulară” (R. Virchow, 1859) (bazele histopatologiei). Orientări moderne. Biologia celulară şi moleculară Secolul XX Progrese pe plan practic (metodologic):

- culturile de ţesuturi şi celule - microchirurgia - descoperirea oxidărilor celulare de către biochimişti - microscopia electronică: a determinat trecerea de la citologia clasică la citologia

modernă. - fracţionarea celulei prin centrifugare diferenţială - descoperirea lisosomilor

Progrese pe plan teoretic: laureaţii Premiului Nobel Albert Claude, George Palade, Christian de Duve şi Keith Porter. Anul 1960: apariţia biologiei celulare pe baza progreselor din secolul XX Progresele recente pe plan practic (metodologic): - perfecţionarea tehnicilor de microscopie optică şi electronică - perfecţionarea fracţionării celulei prin centrifugare diferenţială - introducerea tehnicilor fizice: difracţia razelor X, metodele cu neutroni, rezonanţa magnetică nucleară, rezonanţa electronică de spin, spectrofluorimetria - introducerea tehnicilor biochimice: electroforeza în gel de poliacrilamidă, marcările prin fotoafinitate, reconstituiri de structuri şi funcţii celulare - introducerea tehnologiilor complexe: tehnologia ADN recombinat, producerea de anticorpi monoclonali, cercetările asupra reglării expresiei genelor, sinteza artificială de gene şi manipulările genetice. Anul 1975: apariţia biologiei moleculare - un concept de studiere a materiei vii prin prisma relaţiei structură-funcţie la nivel molecular. Cel mai adecvat termen este biologie celulară şi moleculară. Progresele (evoluţiile) recente pe plan teoretic (conceptual): 1. a) fuziunea biologiei celulare cu alte ştiinţe ca imunologia celulară, farmacologia celulară şi virusologia b) accentuarea fuziunii cu biochimia şi genetica 2. molecularizarea – accentuarea analizei proceselor celulare la nivel molecular 3. integrarea tuturor datelor obţinute pentru obţinerea unei imagini cât mai exacte şi mai complexe a celulei. 1.3. Definiţia actuală a biologiei celulare şi moleculare Biologia celulară şi moleculară este ramura ştiinţelor biologice care studiază structura şi funcţiile celulei în mod complex şi unitar, plecând de la aspectele vizibile la microscopul

optic (morfologie), la aspectele vizibile la microscopul electronic (ultrastructură) şi coborând la nivel molecular în profunzimea fiecărei componente a celulei pentru a studia relaţia dintre structură şi funcţie, iar în final se reconstituie imaginea complexă a celulei, şi se integrează această celulă şi în nivelele superioare de organizare a materiei vii. 1.4. Contribuţii româneşti în studiul celulei Secolul XIX 1. Şcoala de microscopie de la Facultatea de Medicină din Bucureşti (N. Kretzulescu) -

structura dinţilor şi a mediilor transparente ale globului ocular 2. Gheorghe Marinescu: neurocitologie; monografia “Celula nervoasă” (Paris, 1909) 3. Victor Babeş: primul tratat de microbiologie din lume (Paris, 1886); a descoperit

peste 40 microorganisme (inclusiv clasa Babesia); corpii Babeş-Negri în neuron în turbare; corpusculii Babeş-Ernst în bacilul difteric; imunizarea pasivă (principiul seroterapiei).

4. Ion Cantacuzino: imunologie comparată, microbiologie, medicină experimentală; a descoperit factorul stimulator al secreţiei celulare.

Secolul XX 1. George Palade, laureat al Premiului Nobel a avut contribuţii de bază pentru formarea biologiei celulare. A pus la punct tehnicile de microscopie electronică şi de centrifugare diferenţială. A descoperit ribosomii (vechea denumire “granulele lui Palade”) şi a precizat rolul lor în sinteza proteinelor. A descris ultrastructura mitocondriei. A descoperit calea secreţiei celulare, transportul prin vezicule şi reciclarea membranelor celulare. 2. Noţiuni generale despre celule 2.1. Evoluţia celulei - planeta Terra a apărut acum 4,5 miliarde de ani - celulele au apărut probabil acum 3,5 miliarde de ani prin reacţii spontane între molecule în condiţii prebiotice - s-au format la început molecule biologice simple - aminoacizi, glucide, baze purinice şi pirimidinice - ulterior acestea s-au combinat formând macromolecule şi sisteme chimice complexe - dezvoltarea unei membrane externe este evenimentul crucial în formarea primei celule şi defineşte de fapt această celulă primordială - dezvoltarea unor mecanisme autocatalitice, începând cu evoluţia familiilor de molecule de ARN cu funcţii enzimatice (care pot cataliza propria lor sinteză - replicarea) a fost un alt proces important - ARN a fost cel mai probabil molecula care a stocat informaţia genetică în primele stadii al evoluţiei celulei - ulterior, una dintre familiile de ARN a devenit capabilă să sintetizeze polipeptide, şi astfel informaţia genetică s-a transmis de la ARN la proteine

- celulele au progresat datorită acumulării de proteine cu funcţie catalitică (enzime), în urma căreia au devenit mai eficiente şi mai complexe - ARN ca material genetic a fost înlocuit cu ADN, mai stabil şi cu capacitate mai mare de stocare de informaţie genetică - toate celulele actuale folosesc ADN ca material ereditar. 2.2. Celule procariote şi eucariote Organismele vii Procariote; toate sunt unicelulare - bacterii - alge albastre-verzi (cianobacterii) Eucariote

- unicelulare - pluricelulare - plante (metafite) - animale (metazoare)

Evoluţia organismelor unicelulare spre organisme pluricelulare: - a început prin asocierea celulelor pentru formarea de colonii - celulele şi-au exprimat informaţia ereditară în multe moduri diferite - celulele au cooperat în cadrul unui conglomerat (agregat) - formarea unui strat de celule epiteliale (foiţă) care a separat spaţiul intern al corpului de exterior a fost esenţială pentru apariţia animalelor - s-au diferenţiat, pe lângă celulele epiteliale, şi celule nervoase, musculare şi conjunctive - au apărut sisteme mai complexe de comunicare şi coordonare între celule, pe baza unui sistem mai elaborat de control al expresiei genelor - evoluţia animalelor şi plantelor complexe a depins de producţia unui număr crescut de tipuri celulare specializate (peste 200). Procariotele sunt de aproximativ 10 ori mai mici decât celulele eucariote. Deosebiri esenţiale între procariote şi eucariote 1. Procariotele nu au nucleu ci un material nuclear numit nucleoid sau echivalent

nuclear. Eucariotele au nucleu delimitat de o membrană şi conţinând nucleoli. 2. Procariotele se înmulţesc prin sciziparitate sau fisiune binară (amitoză sau diviziune

directă). Eucariotele au forme evoluate de înmulţire, anume diviziunea indirectă cu două forme, mitoza şi meioza.

3. Procariotele nu au organite celulare. Eucariotele au în citoplasmă organite celulare: mitocondrii, cloroplaste, lisosomi, peroxisomi, aparat Golgi, reticul endoplasmic.

4. La exterior celula procariotă este delimitată de o membrană plasmatică numită plasmalemă, şi, în afara ei, de un perete celular ce conţine acid N-acetil-muramic. Plasmalema poate avea prelungiri în citoplasmă numite mezozomi. Celula eucariotă posedă numai plasmalemă.

5. Procariotele au flageli simpli. Eucariotele au citoschelet în citoplasmă, iar la exterior pot avea cili şi flageli cu structură complexă.

6. Procariotele se mai deosebesc de eucariote şi în privinţa replicării ADN, a transcrierii şi traducerii informaţiei genetice.

Virusurile sunt entităţi biologice cu structură simplă, formate dintr-un miez de acid nucleic (ADN sau ARN) şi un înveliş din proteine numit capsidă, şi care nu se pot reproduce în afara unei celule, fiind paraziţi intracelulari. Virusurile nu sunt celule. 2.3. Numărul, forma şi dimensiunile celulelor eucariote Număr - în organismul uman -un număr total de celule de ordinul 1015 (milioane de miliarde) - hematiile sunt de ordinul 2-3 x 1013 - nevrogliile 1 x 1012

- hepatocitele şi neuronii 1 x 1011 Forma şi dimensiunile celulelor:

- variază în timpul diferenţierii şi maturării celulare - legea adaptabilităţii formei la funcţie

- celulele contractile sunt fusiforme - ovocitul este sferic - hematia are formă de disc - alte celule au forme cilindrice, cubice, stelate, poliedrice, pavimentoase sau bizare. Dimensiunile celulelor

- sunt foarte variate - la om majoritatea celulelor au diametrul de 20-30 µm - există celule de 3-4 µm ca neuronii din cerebel şi de 125-150 µm ca neuronii din

scoarţa frontală, sau de 250 µm ca ovocitele. Volumul celular -variază la om între 300-15000 µm3. Legea constanţei volumului: volumul unui anumit tip de celulă este constant indiferent de specie sau de mărimea organismului. 2.4. Schema generală de organizare morfologică şi funcţională a celulei eucariote Celula eucariotă are în general trei componente de bază: plasmalema, citoplasma şi nucleul. Structura celulei variază în funcţie de perioadele ciclului celular. Ciclul celular este format din interfază şi diviziunea celulară. Interfaza este perioada dintre două diviziuni celulare succesive. Studiul celulei în interfază

La microscopul optic, nu se poate vedea plasmalema. Se vede nucleul, având nucleoli şi cromatină. Cromatina este materialul din care sunt formaţi cromosomii, este alcătuită din ADN şi proteine numite histone. Citoplasma este relativ omogenă, conţine particule şi granule care sunt organite celulare, granule de secreţie, pigmenţi şi lipide. Se poate observa o zonă internă a citoplasmei, mai fluidă şi mai luminoasă, ce conţine organitele şi granulele şi se numeşte endoplasmă, şi o zonă externă mai vâscoasă şi mai opacă, fără organite, numită ectoplasmă. Endoplasma este sediul metabolismului celular iar ectoplasma participă la procesele de membrană. La microscopul electronic se observă ultrastructura celulei. Plasmalema poate avea prelungiri (microvili, cili, flageli) şi dispozitive de fixare intercelulară (desmozomi şi alte tipuri de joncţiuni). Organitele celulare au membrane care compartimentează celula. Nucleul are o membrană dublă prevăzută cu pori. Membrana nucleară externă se continuă cu membrana reticulului endoplasmic (RE), care este un sistem de vacuole şi canale, şi care are două părţi: RE rugos, cu ribosomi ataşaţi, şi RE neted, fără ribosomi. Din RE se desprind vezicule de tranziţie ce fuzionează cu sacii aparatului Golgi, din care se desprind vezicule de secreţie care merg la plasmalemă, fuzionează cu ea şi îşi varsă conţinutul în exteriorul celulei. Mitocondriile au o membrană dublă, membrana internă are pliuri numite creste. Lisosomii şi peroxisomii au membrană simplă. Funcţii Există o specializare funcţională a citoplasmei. Plasmalema conferă individualitatea celulei. Nucleul este centrul genetic al celulei. RE rugos are rol în sinteza proteinelor secretate de celulă şi a celor din compoziţia membranelor celulare. RE neted are rol în metabolismul lipidic iar în ficat are şi rol în detoxificare. Aparatul Golgi are rol în modificarea şi concentrarea produşilor de secreţie, dirijarea veziculelor de secreţie spre plamalemă, traficul de macromolecule în celulă, biogeneza lisosomilor şi reciclarea membranelor celulare. Lisosomii au rol în digestia intracelulară cu ajutorul enzimelor hidrolitice. Peroxisomii au enzime oxidative care formează sau descompun apa oxigenată. Citosolul conţine în suspensie toate organitele celulare şi, prin diferenţierile citoplasmatice care formează citoscheletul, are rol în menţinerea formei celulei şi în mişcările celulare. Compartimentarea citoplasmei are rolul de a separa reacţiile biochimice care au loc în celulă, pentru a preveni interferenţa lor; astfel, chiar reacţii incompatibile pot avea loc concomitent în organite diferite. Membranele organitelor celulare măresc suprafaţa disponibilă pentru enzimele de membrană. Din totalul volumului celular, majoritatea revine citosolului, urmat de mitocondrii şi reticulul endoplasmic.