Transcript

126

5.CITOPLASMACitoplasma (cytoplasma) reprezint acea component a celulei situat ntre plasmalem i nucleolem. Cuprinde n volumul su : - o matrice citoplamatic ( hialoplasm sau citoplasma fundamental) ce corespunde prii din citoplasm, care nu este cuprins n compartimentele delimitate de membranele intracelulare; - organite celulare sau intracitoplasmatice (organellae cytoplasmaticae); i - incluziuni (inclusiones cytoplasmaticae) celulare. 5.1. Matricea citoplasmatic Matricea citoplasmatic (matrix cytoplasmae) se prezint ca un mediu intern al celulei n care sunt "gzduite" organitele celulare. O lung perioad de timp s-a considerat c matricea citoplasmatic este omogen, nestructurat (amorf), fapt pentru care a fost denumit hialoplasm.

Fig.5.1.

Ultrastructura citoplasmei 1-Membrana celular; 2-Citoscheletul membranei; 3- Microtubuli; 4-Microtrabecule; 5-Mitocondrie; 6Reticul endoplasmic rugos; 7-Polizomi; 8-Fibre de stress; 9-Ribozomi.

Ultrastructura citoplasmeiDenumire Componente I.Citoscheletul matriceal Ultrastructuri a.Microfilamentele b.Microfilamentele intermediare c.Microtrabecule A.Matricea citoplasmatica d.Microtubuli Faza solid Observatii

II. Citosolul

Citoplama astructurata 1.Microfilamentele de actina

Faza fluid

Contin:actina, tropomiozina, troponinele (T,C,I)

I. Organitele miscarii celulare

2.Microfilamentele de miozina

Contin:molecule de miozina

3.Microtubulii

Contin: si tubuline, dinein

II. Organitele energetice

Mitocondriile

Au : membrana externa, membrana interna cu criste, compartiment extern, matrice mitocondrial

a.Ribozomi

Au: subunitate mica de 40S, subunitate mare de 60s

B.Organite citoplasmatice

III. Organitele de sinteza

b.Reticulul endoplasmatic

Reticul endoplasmatic rugos

Reticul endoplsamatic neted c.Complexul Golgi Compus din: microvezicule, cisterne golgiene si macrovezicule

IV. Organitele de digestie

1.Lizozomi

Contin: hidrolaze acide

2.Peroxizomi (glioxizomi)

Contin: uratoxidaza si catalaza

I.Incluziuni cu substante de rezerva C.Incluziuni citoplasmatice II.Incluziuni cu produsi de elaborare III. Incluziuni cu produsi de dezasimilatie IV. Incluziuni cu pigmenti

Vezicule delimitate de endomembrane

Conin : proteine, lipide, glucide,vitamine, minerale

Conin : granule de zimogen granule de mucigen, hormoni,etc.

Pigmenti cromolipoizi

lipofuscina, hemofuscina

1.Pigmenti endogeni

-carotenoizi, melanici, cu nucleu tetrazolic

2.Pigmenti exogeni

-praf, pulberi,caroten

La microscopul optic apare astructurat, cu grade diferite de acidofilie sau bazofilie. n celula vie prezint vscoelasticitate, aprnd mai frecvent cu aspect de gel dect de sol, n funcie de echilibrul dinamic dintre procesele de polimerizare i depolimerizare, echilibru determinat de momentul funcional al celulei, de condiiile mediului intracelular si extracelular.

Cu ajutorul microscopiei electronice (de transmisie i de nalt voltaj) s-a observat, n hialoplasm, citoscheletul matriceal, format din microfilamente i microtubuli, precum i dintr-o reea de microtrabecule.n acest fel matricea citoplasmatic, prezint dou faze sau componente: -o component (faz) fluid,denumit citosol, ce conine ap, aminoacizi,enzime,electrolii, ioni i gaze; - o component (faz) solid, polimerizat, sub forma unei reele bogat n proteine structurale i n enzime.(Fig.5.1.) Matricea citoplasmatic ndeplinete mai multe roluri: - menine forma celulei i o adapteaz la necesitile funcionale ale celulei prin componentele citoscheletului; - este sediul de desfurare a unor procese metabolice, precum glicoliza, gluconeogeneza, glicogenoliza, glicogenogeneza, biosinteza acizilor grai, a nucleotidelor, etc.; - conine sau depoziteaz glicogen (n ficat i muchi), lipide (n corticosuprarenal),

ioni, pigmeni, ribozomi liberi, 15% din ARN-ul celular (sub form de ARN mesager i ARN de transport); adpostete organitele celulare i incluziunile citoplasmatice. Organitele citoplasmatice au diferite mrimi, unele de ordinul micrometrilor, fiind observabile la microscopul optic (complexul Golgi, mitocondriile, centrul celular,ergastoplasma) iar altele sunt mai mici, de ordinul nanometrilor, putnd fii observate numai la microscopul electronic (ribozomii, lizozomii, peroxizomii, reticulul endoplasmic neted i rugos, microtubulii i microfilamentele). Unele organite sunt delimitate de membrane (complexul Golgi, mitocondriile, peroxozomii, lizozomii, reticulul endoplasmic), n timp ce altele sunt lipsite de membrane (ribozomii, centriolii, microtubulii i microfilamentele). Organitele delimitate conin n structura membranelor unele enzime caracteristice, denumite enzime marker, ce pot fi evideniate prin metode histochimice. De exemplu, mitocondria se caracterizeaz prin prezena monoaminoxidazei, citocromoxidazei i a enzimelor ciclului Krebs.Lizozomii au ca enzime marker fosfataza acid i aril sulfataza, peroxizomii au catalaza i urat oxidaza, iar reticulul endoplasmic glucozo-6-fosfataza. Membranele ce aparin reticulului endoplasmic, complexului Golgi i nveliului nuclear se afl n continuitate structural i funcional, formnd un sistem al endomembranelor. Acest sistem poate stabili conexiuni temporare cu unele organite ca mitocondriile, peroxizomii, unele vacuole i cu membrana periferic. Organitele celulare ndeplinesc diferite funcii: 1- micarea intracelular (microfilamentele, microtubulii, centriolii); 2- deplasarea celulei n mediu extracelular (cilii i flagelul); 3- producerea de energie (mitocondriile); 4digestia intracelulular (lizozomii, peroxizomii); 5-dezintoxicare (reticulul endoplasmic neted, peroxizomii); 6- sinteza de molecule necesare celulei sau destinate exportului (ribozomii, reticulul endoplasmic rugos i neted, compexul Golgi); 7- unele funcii speciale n celulele musculare (miofilamentele), n celulele epiteliale (tonofilamentele), n celulele nervoase (neurofilamentele) i nevroglice (gliofilamentele).

5.2.Citoscheletul

Citoscleletul (cytoskeleton) este o reea n spaiu (tridimensional) de filamente proteice i microtubuli care strbat ntreaga matrice citoplasmatic, ntretindu-se n toate direciile.

Citoscheletul ndeplinete funcii variate: - menine forma celulei i o adapteaz la necesitile funcionale; - particip la realizarea micrilor celulei; - ia parte la formarea citoscheletului membranei;- interacioneaz cu nucleul i cu organitele celulare (mitocondriile,veziculele sinaptice), participnd la meninerea lor n poziie i la deplasarea lor n celul (mitocondriile i lizozomii efectund o micare saltatorie); - interacioneaz cu macromoleculele din citosol, evideniindu-se enzime glicolitice legate de filamentele de actin; - particip la transportul proteinelor n lungul axonului. Citoscheletul se modific n celulele maligne. Astfel, fibroblastele transformate malign i pierd fibrele de stress din citoschelet i devin sferice.n compunerea citoscheletului intr microfilamentele, microtubulii, microfilamentele intermediare i microtrabeculele.

5.2.1. Microfilamentele i microtubulii

Microfilamentele (microfilamentum, a) sunt componente ale citoscheletului, prezente n citoplasma tuturor celulelor, aprnd mai abundente n celulele care prezint micri de deplasare n esuturi sau micri active intracitoplasmatice. Au lungimi variate i un diametru de 5-7 nm, putnd apare izolate sau grupate. Sunt orientate pe direcii diferite i formate din molecule proteice, n special din actin i miozin, asemntoare celor din celulele musculare. Microtubulii (microtubulus,i) sunt componente ale citoscheletului cu aspect cilindric, cu diametrul cuprins ntre 20-30 nm, formai prin polimerizarea unor molecule proteice, denumite tubuline. Pot apare grupai sau izolai. Microfilamentele i microtubulii sunt ultrastructuri cu caracter dinamic, deoarece procesele de polimerizare i depolimerizare se desfoar concomitent i continuu. Ele se asambleaz i dezasambleaz rapid n celul, n citoplasm existnd un depozit permanent de monomeri de actin i de dimeri de tubulin. Microtubulii i microfilamentele prezint polaritate, nct polimerizarea i depolimerizarea se desfoar cu viteze diferite la cele dou extremiti. La extremitatea pozitiv (notat cu +), viteza polimerizrii este mult mai mare dect cea a depolimerizrii, nct microfilamentul sau microtubulul se alungete. La extremitatea negativ (notat cu -), viteza de depolimerizare este mai mare, determinnd scurtarea. Pentru o anumit concentraie de

monomeri liberi n citosol, microfilamentul sau microtubulul se afl ntr-o stare de echilibru, n care la extremitatea negativ se pierd molecule, iar la extremitatea pozitiv se ataeaz molecule. n acest fel, un grup de molecule ataate la captul pozitiv (+), se deplaseaz de-a lungul filamentului sau microtubulului, de la extremitatea pozitiv spre extremitatea negativ. (Fig.5.2.)n cazul cnd se protejeaz captul negativ (-) i se mpiedic depolimerizarea, se produce creterea n lungime. Din acest motiv, microtubulii liberi au captul negativ inserat n centrul celular sau n corpusculii bazali.

Fig.5.2. Polilerizarea i depolimerizarea microtubulului.

Dinamismul citosheletului este influenat foarte mult de cationii bivaleni. Astfel, modificarea concentraiei ionilor de calciu ( Ca2+) induce polimerizarea sau depolimerizarea microtubulilor i regleaz interaciunile dintre actin i miozin. Ionul de calciu i exercit efectele sale prin intermediul unor proteine ce leag calciul, ca de exemplul calmodulina, o protein format din 148 aminoacizi, cu secvene de aminoacizi asemntoare cu troponina C. Calmodulina a fost detectat n toate celulele animale i vegetale, nct este considerat a fi un receptor intracelular pentru calciu. De asemenea unele proteine ca profilina,vilina, gelsolina, filamina, alfaactinina, fibrina, miozina influeneaz polimerizarea i depolimerizarea microfilamentelor de actin. n polimerizarea i depolimerizarea microtubulilor intervin proteinele tau ( ) i proteinele asociate microtubulilor. Un alt factor care moduleaz dinamismul citoscheletului l reprezint nucleotidele. Astfel, adenozin monofosfatul ciclic (AMPc) favorizeaz polimerizarea citoscheletului i determin aglomerarea microfilamentelor i a microtubulilor, modificnd forma i mobilitatea celulelor. 5.2.2.Microfilementele intermediare

Microfilamentele intermediare au fost descrise i investigate intens dup anul 1978. Sunt denumite astfel, deoarece au diametrul de 10 nm, cuprins ntre cel al microfilamentelor de actin (6 nm) i cel al microtubulilor (25 nm). La microscopul electronic apar sub forma unor filamente rectilinii sau uor curbate, prezente n endoplasm, la periferia celulei (n desmozomi sau n prelungiri). Sunt structuri mult mai stabile dect filamentele de actin i dect microtubulii, nct odat asamblate nu se mai depoliomerizeaz. Sunt formate din molecule filiforme de proteine. Polimerizarea lor se face prin alturarea i mpletirea monomerilor, ca ntr-o frghie i nu prin niruirea monomerilor. Rezult astfel, structuri rezistente, ce pot fi ntrite la nevoie i prin legturi covalente ntre subuniti. Proteinele ce alctuiesc filamentele intermediare variaz dup tipul de celul n care apar i dup specie. n compoziia unui filament intermediar pot intra mai multe polipeptide diferite, cu greuti moleculare ce variaz n limite largi. n funcie de proteinele componenete, exist urmtoarele tipuri de filamente intermediare: - filamentele de cheratin sau tonofilamentele, caracteristice pentru celula epitelial, formate din proteine (citokeratine) asemntoare keratinei din pr i ongloane; -neurofilamentele, caracteristice neuronului, prin asociere cu microtubulii strucutreaz neurofibrilele ce au un diametru de 1-2 m; - filamentele de vimentin, caracteristice celulelor de origine mezodermic (fibroblaste, condroblaste, macrofage, celule e ndoteliale, leiocite, astrocite, celulele Sertoli). (Fig.5.3.)

Fig.5.3. Tonofilamentele A-Aspect la microscopul optic; B-Aspect la electronomicroscop: 1-Material fibrilar; 2-Material granular.

Aplicaii medicale. Identificarea tipului de filament intermediar cu ajutorul anticorpilor monoclonali, marcai prin fluorescen sau cuplai cu o enzim capabil s coloreze, permite diagnosticarea tumorilor maligne, deoarece: carcinoamele au filamente de cheratin, sarcoamele de vimentin, iar

rabdomiosarcoamele de desmin. Glioamele au filamente gliale, iar neuroblastoamele au neurofilamente.

5.2.3.Microtrabeculele.

Microtrabeculele au fost descrise n celule examinate prin microscopie electronic de voltaj supranalt, la mriri de 300.000 ori. Sunt structuri fibrilare mai subiri de 4-6 nm, dect microfilamentele.Microtrabeculele formeaz o reea ce strbate ntreaga citoplasm, nterconectnd microfilamentele,microtubulii, practic toate componentele subcelulare prezente n celula animal. Pot fi considerate ca fiind expresia fenomenului de gelificare, dei uneori se contest realitatea lor biologic, fiind considerate un artefact.

Microtrabeculele menin poziia n spaiul intracelular a citoscheletului i organitelor,fiind considerate suportul matricii biostructurate. De reeaua microtrabecular se leag enzimele din citosol, asigurndu-se trecerea substratului de la o enzim la alta n mod coordonat. n ochiurile reelei se gsete ap i ioni , nct microtrabeculele protejeaz celula n cazul fluctuailor coninutului n ap. Atunci cnd apa ptrunde n celul, spaiile se dilat, n timp ce n cazul deshidratrii celulei, spaiile se contract. Un alt rol al reelei de microtrabecule constp n micarea intracelular a granulelor de pigment.

5.3.Organitele micrii celulare

Organitele micrii celulare sunt: -microfilamentele de actin, microfilamentele de miozin i microtubulii.

5.3.1.Microfilamentele de actin

Microfilamentele de actin sunt formate din molecule de actin i au diametrul de 6 nm. La eucariote, actina ocup 10% din totalul proteinelor din celulele nemusculare. n citoplasm, moleculele de actin se pot gsi fie sub form monomeric ( actin globular sau actin G), fie sub form polimerizat, filamentoas ( actin filamentoas sau actin F). Microfilamentele de actin (denumite, pe scurt , filamente) se formeaz prin polimerizarea actinei globulare. Un filament cuprinde dou lanuri de actin nfurate unul n jurul celuilalt, formnd dublu helix rsucit spre dreapta avnd pasul spiralei de 70-80 nm.Fiecare molecul de actin din microfilament este capabil s lege cte un cap al moleculei de miozin. n celulele eucariote, cu excepia celulelor musculare, microfilementele se pot gsi izolate sau grupate n mnunchuri, dispuse la periferia citoplasmei, imediat sub plasmalem, formnd fibrele de stress n cazul celulelor n culturi sau intnd n structura inelelor contractile. Inelul contractil poate fi: tranzitoriu, cnd apare n telofaza diviziunii celulare indirecte, producnd strangularea citoplasmei i separarea celulelor fiice; - permanent, ca de exemplu n zona apical a celulelor epiteliale, unde formeaz dezmozomul n band. Mnunchiuri de filamente de actin exist i n microvili, n stereocili, n prelungirile filiforme temporare ale celulelor din culturi. n alte tipuri de celule dect cele musculare, microfilamentele de actin ndeplinesc att un rol structural sau de susinere, formnd suportul prelungirilor (al microvililor, ct i un rol dinamic n realizarea micrilor bazate pe mecanismul actin-miozin. Exist un echilibru dinamic ntre filamentele de actin i monomerii de actin din citoplasm, ntre polimerizare i depolimerizarea actinei, echilibru ce joac un rol esenial n micrile celulare. Polimerizarea actinei este nsoit de o cretere a vscozitii citoplasmei, iar depolimerizarea se asociaz cu scderea vscozitii.Ambele procese joac un rol principal n trecerea de la starea de gel la cea de sol a citoplasmei. Polimerizarea actinei este inhibat de unele substane (citocalazine) secretate de mucegaiuri, producndu-se oprirea micrii de locomoie ameboidal. n celulele musculare, moleculele de actin mpreun cu proteinele reglatoare formeaz miofilamentele subiri (miofilamentum tenue) din sarcomere. Astfel, pe toat lungimea miofilamentului de actin se gsete o protein tropomiozina, pe care se nir 7 monomeri de actin. Tropomiozina are att un rol structural, ntrind flilamentul subire, ct i un

rol funcional n realizarea contraciei. Din loc n loc, de-a lungul filamentului de actin se gsete o alt protein, troponina, care este un complex de trei polipetide - troponinele T,I i C.Troponina T este strns ataat de tropomiozin, troponina C leag ionii de calciu, iar troponina I inhib interaciunea actin-miozin. Tropomiozina are att un rol structural, participnd la structurarea filamentului subire, ct i un rol funcional mediind reglarea contraciei. (Fig.5.4). Filamentele subiri se gsesc numai n miofibrilele din muchii scheletici i muchiul cardiac unde sunt dispuse ordonat, paralel cu filamentele groase de miozin. i n alte tipuri de celule dect cele musculare au fost evideniate proteine reglatoare ale interaciunii actin-miozin,asemntoare tropomiozinei, dar acestea sunt mai scurte, permind ataarea a numai 6 monomeri de actin, n loc de 7 cum apare n celulele musculare. n celulele nemusculare, nu a fost bine precizat existena troponinelor T i I, dar au fost identificate proteine reglatoare, asemnotare troponinei C, carer leag ionii de calciu i au fost denumite proteine modulatorii sau calmoduline. n afara proteinelor reglatoare amintite (tropomiozina,troponinele i calmodulina), n celule se mai pot gsi i alte proteine reglatoare ce se leag de actin, ca: -filamina, prezent mai abundent n leiocite; -spectrina, ce se gsete n citoscheletul membranei celulare.

Fig.5.4. Organizarea molecular a filamentului subire de actin

5.3.2.Microfilamentele de miozin

Formate prin polimerizarea proteinelor denumite miozine, miofilamentele de miozin au un diametru de 10 nm. Miozinele se gsesc n cantitate mai mic dect actinele n toate celulele eucariote, cu excepia celulelor musculare.

Fig.5.5. Moleculele de miozin i formarea filamentului gros. 1-Coad; 2-Cap; 3-Punte transversal.

Molecula de miozin are aspectul unui bastona lung (160 nm/2nm) i subire (coada),prevzut la una din extremiti cu o regiune globular (capul). Capul moleculei de miozin(4-5 nm/15-20 nm) este bipartit (iar molecula este bicefal), fiind alctuit din dou subuniti sau lobi. Polimerizarea se produce prin agregarea cozilor moleculelor de miozin, n timp ce capetele rmn la exterior. n acest fel, mio- filamentul de miozin

prezint o zon "nud" (neted) la mijloc, unde se gsesc cozile i dou zone mai groase la extremiti n care proemin de jur mprejurul filamentului capetele globulare ale miozinelor.(fig.5.5.) n alte celule dect cele musculare, filamentele de miozin sunt agregate mici, labile greu observabile, formate prin polimerizarea a 10-20 molecule. n celulele musculare, polimerizeaz cteva sute de molecule de miozin (200-500), formnd miofilamente groase (myofilamentum crassum) cu diametrul de 10-20 nm, ce se dispun paralel cu filamentele subiri de actin.Miofilamentele sunt dispuse ntr-o reea hexagonal, la un miofilament gros revenind 6 miofilamente subiri.

Fig.5.6. Reprezentarea schematic a moleculei de miozin LMM - L meromiozin; HMM - H meromiozin; S1 - Subfragmentul 1; S2 - Subfragmentul 2.

Alctuirea moleculei de miozin cuprinde dou lanuri polipeptidice grele, fiecare cu greutate de cca. 200 kilodaltoni i patru lanuri uoare cu greuti de 15-20 kilodaltoni. Lanurile grele se ntind pe toat lungimea moleculei, n timp ce lanurile uoare sunt localizate la capul moleculei de miozin,

cte dou pentru fiecare lob. Fiecare lan greu are dou poriuni: - o poriune alungit alfa - helicoidal (coada) i un cap globular. Poriunile alungite ale lanurilor grele sunt rsucite n spiral, pe cndcapetele globulare rmn separate. De fiecare cap sau lob se leag cte o pereche de lanuri uoare. Pentru studierea alctuirii moleculei de miozin s-a efectuat proteoliza moleculei cu ajutorul tripsinei. Din molecula de miozin se formeaz dou fragmente, denumite meromiozine: - o meromiozin uoar, L meromiozina (de la light = uor n englez) i o meromiozin grea, H - meromiozina (de la heavy = greu). L meromiozina (LMM) are aspectul unui bastona cu lungimea de 80 nm i grosimea de 2 nm, este lipsit de activitate ATP-azic i nu interacioneaz cu actina. H meromiozina (HMM) are o poriune linear de 60 nm, care se termin cu o poriune globular de 20/5 nm. Sub aciunea papainei, HMM poate fi scindat n dou subuniti, subfragmentul 1 i subfragmentul 2. Subfragmentul 1(S -1) are o greutate de 120 KD i corespunde poriunii globulare a H meromiozinei, prezint activitate ATP-azic i poate interaciona cu actina. Subfragmentul 2 (S - 2) are o greutate milecular de 60 KD, i lipsete activitatea ATP-azic i capacitaea de a interaciona cu actina. n ntregul ei, poriunea liniar a moleculei de miozin este format din L meromiozin i subfragmentul 2 al H meromiozinei, iar capul moleculei de miozin este reprezentat de subfragmentul 1 al H meromiozinei. 5.3.2.1.Funciile microfilamentelor de actin i miozin.

Microfilamentele de actin i miozin sunt implicate att n micrile celulare de locomoie (deplasarea fibroblastelor n culturi, micarea ameboidal prin emiterea de pseudopode, micrile morfogenetice din embrion), ct i n micrile intracitoplasmatice (migrarea granulelor de secreie, a granulelor pigmentare, deplasarea organitelor celulare, mobilitatea microvililor). Participarea microfilamentelor n aceste fenomene celulare este influenat de concentraia n citosol a ionilor de calciu, a moleculeor de ATP i de AMP-ciclic, de ph, etc. n celulele musculare, actina i miozina intr n alctuirea unor ultrastructuri stabile, denumite microfilamente sau miofilamente (myofilamentum) de

actin i de miozin. Miofilamentele se dispun ordonat, n sensul lungimii, paralele ntre ele i formeaz miofibrilele, cu un diametru de 1-2 m. Un miofilament de actin este alctuit din 600 molecule de actin, n timp ce un miofilament de miozin conine numai 200 molecule de miozin. Cea mai precis organizare i dispunerea a moleculeor de actin i miozin se ntlnete n miofilamentele i miofibrilele muchiului striat (scheletic i cardiac), care sunt orientate paralel cu axul mare al fibrei musculare. (Fig.5.7.) n rabdocit (fibra muscular scheletic) exist cca. 1000 miofibrile ,dispuse n pachete longitudinale (colonete Leydig), ce apar pe seciune transversal sub forma unor grupri de 30-50 miofibrile ( cmpurile Cohnheim). La microscopul optic, miofibrilele apar striate,prezentnd o succesiune alternant de benzi sau discuri. O band A (stria A), denumit i disc ntunecat, de 1,5 nm, anizotrop (discus anizotropicus) n lumin polarizat, ntunecat n contrast de faz, mai intens colorabil, alterneaz cu o band clar (stria I) de 0.8 nm, izotrop (discus isotropicus) n lumin polarizat, clar n contrast de faz, mai slab colorabil.

Fig.5.7.Organizarea dispozitivului contractil n fibra muscular striat

Discul ntunecat (banda A) este transversat prin mijlocul lui de zon clar (zona lucida s. stria H) care este strbtut de o linie ntunecat, numit linia M (linea M) sau mesofragm (mesophragma). Discul clar (banda I) este i el traversat de o linie intunecat, denumit linia Z (linea Z), telofragm (telophragma) sau stria AMICI, ce se prelungete transversal, de o parte i de alta, n toate miofibrilele dintr-un rabdocit. n unele fibre musculare mai intens solicitate, discurile clare (I) pot fi traversate, n plus, i de o fina linie accesorie, linia N. ntre dou telofragme (strii Amici sau linii Z) sucesive se delimiteaz un sarcomer sau un miomer (myomerrum), care reprezint unitatea fundamental de structur i funcie a miofibrilei. Un sarcomer are o lungime de 2,5 m i cuprinde un disc ntunecat ( o band A) i cele dou jumti de benzi clare (I) adiacente. ntr-o mifobril se gsesc cteva zeci de mii de sarcomere aezate cap la cap. De exemplu, ntr-un rabdocit cu

lungimea de 5 cm sunt 20.000 de sarcomere, nct 20.000 x 2,5 m = 50.000 = 5 cm.

Fig.5.8. Organizarea ultrastructurilor din banda M

a.Seciune transversal b. Reprezentare tridimensionala, FG-filament gros de miozin;FM-filamente M ale citoscheletului endosarcometric enodsarcomeric; PM-puni M

Ultrastructura sarcomerului a fost investigat prin studii de microscopie electronic nc din anul 1953, reprezentnd primele aplicaii ale electronomicroscopiei n biologie. S-a constatat c filamentele groase, de miozin (cu diametrul de 15 nm i lungimea de 1,6 nm) sunt dispuse n mijlocul sarcomerului n zona ocupat de discul ntunecat ( banda A) n timp ce la nivelul discului clar (banda I) se gsesc numai filamente subiri, de actin (cu diametrul de 6 nm i lungimea de 1nm), care pornesc de o parte i de alta a benzii Z i ptrund n discul ntunecat (A) pn n apropierea zonei H, n care se gsesc numai filamente groase. n restul discului ntunecat (A) se produce o interdigitare a filamentelor groase i subiri, nct pe o seciune transversal la acest nivel, ficare filament gros are n jurul su 6 filamente subiri, realizndu-se un model hexagonal. (Fig.5.8.)

Pe suprafaa filamentelor groase proemin capetele moleculelor de miozin sub forma unor puni transversale. Pe imaginile electronomicroscopice, punile transversale apar ca proeminene laterale, perpendiculare pe axa filamentelor groase, extinse spre filamentele subiri pe care tind s le ating. S-au numrat 200-220 puni transversale pentru un filament gros, dispuse regulat urmnd un traiect spiralat de-a lungul filamentului. Punile transversale conin HMM (H meromiozin) ce are activitate ATP-azic i interacioneaz cu actina.(Fig.5.9)

Fig.5.9. Dispunerea punilor transversale la nivelul filamentului

5.3.2.2. Micri celulare bazate pe sistemul actin-miozin

Pe baza sistemului molecular actin-miozin se realizaez mai multe categorii de micri celulare: -micrile din timpul contraciei musculare; -micarea de locomoie ameboidal; - micrile din microvili; i curenii citoplasmatici. Interaciunile actin-miozin se desfoar dup acelai mecanism molecular att n celulele musculare, ct i n cele nemusculare: Ele se stabilesc ntre filamentele subiri de actin i capete globulare ale moleculelor de miozin din punile tranversale. Micarea se produce prin alunecarea filamentelor de actin i miozin, unul peste altul. Pentru aceasta se desface puntea dintre miozin i actin i se restabilete puntea cu monomerul urmtor din filamentul de actin, antrennd deplasarea filamentului. Energia necesar este furnizat de hidroliza ATP-ului, iar

deplasarea se face dup mecaniosmul "roii cu clichei" de la ceasornicele mecanice.Relaxarea se produce prin desfacerea simultan a tuturor punilor dintre filamentele de actin i miozin, ceea ce permite glisarea filamentelor.(fig.5.10).

Fig.5.10. Schema modului de aciune a punilor transversale. a-n relaxare; b-La nceputul contraciei; c-detaarea de filamentul de actin; d-Reataarea pe monomerul urmtor de actin; 1,2,3,4,5,6,7-Monomeri de actin.

5.3.2.2.1. Contracia fibrelor musculare striate

Contracia muscular reprezint forma cea mai perfecionat de micare bazat pe sistemul actin-miozin. Se produce prin alunecarea (glisarea) filamentelor de actin printre cele de miozin, fr a se modifica lungimile lor. Mecanismul glisrii a fost propus de HUXLEY n 1954 i apoi demonstrat experimental. Ca rezultat al glisrii se scurteaz lungimea sarcomerului, iar prin nsumarea scurtrii tuturor sarcomerelor se ajunge la scurtarea fibrei musculare n ntregul ei. De exemplu, o scurtare a sarcomerului de la 2,5 la 2 m (deci cu 20%), nsumat pentru 20.000de sarcomere produce o scurtare de la 5 cm la 4 cm. n timpul contraciei, discul ntunecat (banda A) nu se modific, scurtndu-se doar discul clar (banda I) (fig.5.11.)

Fig.5.11. Aspectul

sarcomerului

a-n muchiul contractat; b- n muchiul relaxat; c-n muchiul ntins.

Glisarea se datoreaz faptului c fiecare cap al moleculelor de miozin "pete" n lungul filamentului de actin, de pe un monomer pe urmtorul "trgnd" filamentul de actin pas cu pas.

Contracia muchiului scheletic se declaneaz n momentul n care excitarea nervului motor al muchiului determin apariia unui potenial de aciune n sarcolem ( plasmalema fibrei musculare striate), la nivelul jonciunii neuromusculare. Semnalul electric se transmite rapid n jurul fiecrei miofibrile prin tubii transveri (T) ce se ntind de la sarcolem la

miofibril. n acest fel, semnalul electric ajunge la reticulul sarcoplamic ( o form specific a reticulului endoplasmic n fibra muscular), producnd eliberarea din cisternele reticulului n citosol, a unei cantiti mari de ioni de calciu ( Ca2+), ce se afl stocai n lumenul cisternelor. Creterea brusc a concentraiei de ioni de calciu declaneaz contracia miofibrilei, datorit efectului pe care Ca2+ l produc asupra troponinei i tropomiozinei, proteine asociate cu actina n filamentul subire. n repaus, tropomiozina se interpune ntre actin i capul miozinei, blocnd interaciunea dintre ele. Troponina C leag ionul de calciu i prin aceasta modific poziia tropomiozinei, fcnd posibil interaciunea actinei cu miozina. (Fig.5.12).

Fig.5.12. Relaiile actin- miozin- tropomiozin a - n repaus; b- n activitate; 1. miozina; 2- actina; 3 tropomiozina

n momentul n care capul miozinei atinge actina este eliberat ADP i gruparea fostfat, ceia ce determin o flexare a capului miozinei care trage de filamentul de actin, rezultnd glisarea filamentului i contracia muscular. Dup acest moment, de capul miozinei se leag o molecul de ATP, producndu-se desprinderea miozinei de actin.Miozina hidrolizeaz ATP-ul n ADP i gruparea fosfat, iar capul miozinei i recapt conformaia iniial, dup capul se repet. Micrile de "pire" a capetelor de miozin (din filamentele groase) n lungul filamentelor subiri (de actin) sunt efectuate de ctre fiecare molecul i de ctre fiecare lob al capului. n acest fel, ntr-un muchi n contracie, la un moment dat exist capete ale moleculelor de miozin care sunt ataate de actin, iar altele sunt detaate. ntr-o contracie rapid, fiecare din cele 500 capete de miozin ale unui filament gros parcurge ciclul de 5 ori ntr-o secund.

Dup terminarea contraciei, ionii de calciu sunt recaptai n cisternele reticulului sarcoplasmic printr-o enzim (Ca2+ - ATP - az), ceea ce produce relaxarea muchiului. Pe lng actin i miozin, n miofibrile se mai gsesc proteine accesorii cu rolstructural. Astfel, n stria Z, se gsesc proteine ( -actina i desmina) ce ancoreaz filamentele de actin i aliniaz miofibrilele adiacente, asigurnd contracia sincronizat a miofibrilelor. Alte proteine accesorii ndeplinesc un rol funcional mediind efectul pe care Ca2+ l are n contracia muscular. n muchiul cardiac, filamentele de actin i miozin prezint o dispunere asemntoare cu din muchiul scheletic, fiind evidente striaiile. Muchiul neted este lipsit de striaii, iar filamentele de miozin i de actin nu formeaz miofibrile, nefiind dispuse strict ordonat ca n muchii striai, dei, n general, sunt orintate paralel cu axul lung al celulei. Miozina din celulele musculare netede (leiocite) se deosebete de cea din fibrele musculare striate (rabdocite) prin dou caractere: 1-activitatea ATP-azic este de zece ori mai mic, fiind mult mai direct legat de ionii de calciu; 2- n leiocite, miozina poate interaciona cu actina numai dac lanuriile uoare sunt fosforilate.

Fig.5.14. Diagrama activrii kinazei 1-Calmodulina; 2-Ioni de calciu; 3-Complexul Ca2+ - calmodulin; 4- Kinaz inactiv; 5-Kinaz activat.

Fosforilarea i defosforilarea lanurilor uoare ale miozinei din leiocit sunt efectuate de enzime specifice. Astfel. enzima de fosforilare se numete kinaza lanurilor uoare i este activat de complexul Ca2+- calmodulin.

Kinaza activat fosforileaz lanurile uoare din molecula de miozin, permind interaciunea cu actina. (Fig.5.14.) Kinaza miozinei poate fi activat de influxul de Ca2+, rezultat n urma excitrii sistemului neurovegetativ, dar i prin AMP-ul cicclic al crui nivel n celul este legat de hormoni. n acest fel contracia muchiului neted poate fi produs prin aciune nervoas sau hormonal. Contracia muchiului neted este mai lent deoarece i activarea miozinei prin sistemul calmodulinei este lent. n muchiul striat, unde se realizeaz o contracie rapid este prezent o form specializat a calmodulinei, troponina C. n toate celulele nemusculare, miozina se aseamn cu cea din muchiul neted prin faptul c activarea ei (dobndirea capacitii de a se lega de actin) depinde de fosforilarea lanurilor uoare. care la rndul ei este stimulat de complexul Ca2+-calmodulin.Fosforilarea induce asamblarea miozinei n agregate mici bipolare, formate din 10-20 molecule de miozin, legate prin cozile lor. Aceste agregate pot produce deplasarea filamentelor de actin prin mecanismul interaciunii actin-miozin. Contracia complexului acto-miozinic produce trecerea citoplasmei n starea de gel, iar relaxarea determin trecerea n stare fluid, cum se ntmpl n micarea ameboidal i n motilitatea microvililor. (Fig.5.15.)

Fig.5.15. Agregarea miozinei n celulele nemusculare. 1-Molecule de miozin;

2-Agregate moleculare.

Alte micri bazate pe sistemul actin-miozin sunt micarea ameboidal, micrile din microvili i curenii citoplasmatici.

5.3.2.2.2. Micarea de locomoie ameboidal

Micarea de locomoie ameboidal prezint o importan deosebit pentru organisme, deoarece prin acest mecanism leucocitele ies din vasele sanguine i se deplaseaz la locul infeciilor, iar fibroblastele se deplaseaz pe suprafaa rnilor depunnd colagen, cu rol n formarea cicatricei.

Fig.5.16.Micarea ameboidal a fibroblastelor. 1-Nucleu; 2-Coad; 3-Ondulaii de suprafa; 4-Microvrfuri; 5-Lamelipode; 6-Plci de adeziune; 7,8Extensie; 9-Adeziune; 10-Contracie.

n cazul animalelor domestice, emiterea de pseudopode mici se ntlnete la deplasarea leucocitelor, care se face lent. Fibroblastul emite pe direcia micrii prelungiri lite, lamelipode, care formeaz o muchie de naintare. Procesul de emitere a acestor prelungiri este continuu, unele prelungiri adernd la substrat prin una din feele lor cu plci de adeziune, n timp ce alte prelungiri, desprinse de pe faa opus, se rentorc spre corpul celulei, formnd ondulaii de suprafa. Pe msur ce are loc naintarea celulei, rmne o coad n interiorul creia se gsesc fibre de retracie, iar din aceast coad se desprind fragmente pe care celula le las n urm. La micarea fibroblastelor se produc treceri succesive i reversibile ale citoplasmei din starea de gel n cea de sol, ajungndu-se la o vitez de 40 nm/or. Micarea ameboidal nu se face la ntmplare, fibroblastele manifestnd o preferin pentru suprafeele pe care pot adera. Este posibil ca prelungirile subiri, epii observai pe lamelipode s acioneze ca nite antene de exploatare a suprafeei. Forma suprafeei influeneaz micarea ameboidal, fibroblastele migrnd pe direcia curburii minime ( n sensul lungimii cilindrului de sticl). (Fig.5.16) Emiterea pseudopodelor i deplasarea celulei se face spre un stimul chimic, fenomen cunoscut sub denumirea de chemotactism.S-a dovedit c leucocitele sunt atrase de molecule "atractante" eliberate n focarul inflamator. Aceste molecule produc metilarea unor grupri carboxil din proteinele din membran. Dac metilarea este blocat, chemotactismul este inhibat.

5.3.2.2.3. Micrile din microvili

n alctuirea unui microvil (microvillus) exist filamente de actin (cca.40), dispuse longitudinal i paralele ntre ele, avnd toate aceeai polaritate. O extremitate a filamentelor ajunge al vrful microvilului, ntr-o regiune amorf, cu o compoziie chimic insuficient precizat, ce ancoreaz filamentele de membran. Extremitatea opus ajunge la polul bazal al microvilului, terminndu-se ntr-o reea perpendicular de filamente de actin, denumit buton terminal, ce conine i miozin, avnd rolul de a menine n poziie microvilul. Mnunchiul de filamente din microvil este legat, din loc n loc, ntre ele i cu plasmalema prin fimbrin, ce realizeaz o "scar " n spiral n lungul microvilului. (Fig.5.16.)

Fig.5.16.Diagrama ultrastructurii microvililor

Polaritatea filamentelor de actin din microvil este similar cu a filamentelor subiri din sarcomer, producnd scurtarea ritmic a microvililor i mpingerea substanelor absorbite spre interiorul celulei. (Fig.5.18.)

Fig.5.19.Polaritatea filamentelor de actin A - n microvil B n sarcomer

5.3.2.2.4. Curenii citoplasmatici

Curenii citoplasmatici sunt micri ce realizeaz o deplasare a organitelor i componenetelor n interiorul celulei. Se manifest sub form de: 1 scurgere a citoplasmei fluidifiate n prelungirile celulere n timpul micrii ameboidale; 2 - micare saltatorie a organitelor, n care pe filamentele de

actin situate la periferia celulei se deplaseaz filamente de miozin pe care sunt ancorate organite celulare; 3 -cicloza, o micare n jurul nucleului, vizibil n celule vegetale sau n algele verzi unicelulare. Curenii citoplasmatici sunt caracteristici celulelor eucariote vii, disprnd odat cu moartea acestora. Transportul axoplasmatic din neuroni reprezint o form specializat de cureni citoplasmatici n care intervin microtubulii.

5.3.3. Microtubulii i micrile bazate pe sistemul microtubul - dinein

5.3.3.1. Microtubulii

Microtubulii (microtubulus, i) sunt formaiuni rectiliniii cu lungimi variabile (pn la civa micrometri) i cu un diametru mediu de 25 nm. Pot apare grupai sau singulari n citoplasm. Peretele microtubulului este format din 13 iruri lineare, drepte sau spiralate, formate din molecule proteice globulare, cu diametru de 5nm, cu o greutate molecular de 50-60 Kdal., denumite tubuline. Tubulinele polimerizeaz rezultnd dimeri de tubulin, alctuii dintr-o alfatubulin i o beta-tubulin, legate prin interaciuni necovalente i dispuse alternant n peretele microtubulului. n peretele microtubulilor, dimerii de tubuline formeaz protofilamente sau protofibrile (protofibrila) cu diametrul de 5 nm. n protofibrile, dimerii formeaz se dispun n aa fel, nct alfa-tubulina de la un dimer de leag de beta-tubulina de la de la dimerul din rndul vecin. Protofibrilele, n numr de 13 se dispun sub forma unui cilindru, structurnd un microtubul cu diametrul de 25 nm constant n toate cazurile.Energia necesar asamblrii microtubulilor este furnizat de moleculele de guanizin-trifosfat (G.T.P.) i nu de cele de A.T.P. Microtubulii prezint polaritate, adaugarea de dimeri, avnd lo intensitate mai mare la captul pozitiv, producndu-se creterea, n n timp ce la captul opus (negativ) predomin pierdera de dimeri, avnd loc scurtarea. Exist un echilibru dinamic ntre microtubuli i dimerii de tubulin din citosol. Polimerizarea se petrece spontan la temperatura de 370 C, n timp ce depolimerizarea are loc la 00 . Cationii bivaleni de calciu i magneziu n concentraie mic (micromolar) sunt necesari pentru polimerizare, care este mult accelerat n prezena proteinelor asociate microtubulilor (MPAs),

care pot fi: - proteine cu greutate molecular mare (HMW = Hight Molecular Weight ) i proteine tau ( ). De asemenea, calmodulina controleaz procesul de asamblare - dezasamblare, iar colchicina, un alcaloid blocheaz polimerizarea tubulinelor, prin legarea unei molecule de colchicin de un dimer de tubulin. Pe aceast proprietate se bazeaz folosirea colchicinei la blocarea metafazelor n culturile de celule, pentru studierea cromozomilor. Unele medicamente,folosite ca citostatice (vinblastina, vincristina) distrug fusul de diviziune i oar celulelele maligne, care se divid intens.

Fig.5.20.Formarea protofibrilelor din dimeri de tubulin i asamblarea unui microtubul A.Seciune transversal prin microtubul 1-Alfa-tubulin; 2-Beta-tubulin; 3-Dimer; 4-Asamblare; 5- Blocarea asamblrii prin colchicin; 6-Protofibril; 7-Dezasamblare.

n celul, microtubulii ndeplinesc att un rol structural, ct i un rol dinamic. Rolul strucutural const n: 1- meninerea formei celulelor i a prelungirilor sale (axon,dentrite, cili, flageli); 2-determinarea i pstrarea dispunerii spaiale a organitelor; 3- organizarea citosheletului, determinnd distribuia filamentelor intermediare n celul; 4- dispunerea filamentelor de actin, ce structureaz inelul contractil, ntre cei doi poli ai celulei; 5- formarea unor "schele temporare" pe care celula s-i dispun unele componente, ca de exemplu n cursul spermatogenezei, cnd microtubulii formeaz o "schel" n spiral pe care se sprijin mitocondriile. Rolul dinamic const n: 1- particip la realizarea micrilor celulare ce au la baz mecanismul microtubul-dinein, precum micarea cililor i flagelilor; 2- asigur o serie de micri intracitoplasmatice, precum micarea granulelor de melanin n melanocite; 4- asigur transportul unor molecule i substane; 5- realizeaz transportul axonal rapid (200 nm/ 24 ore) i lent (24 nm/ 24ore); 5- particip la eliberarea proteinelor i lipoproteinelor sintetizate n hepatocite. n citoplasm, microtubulii sunt prezeni n alctuirea unor structuri stabile, cum sunt centriolii, fusul de diviziune, cilii i flagelii. 5.3.3.2. Centriolii Centriolul (centriolum) este o structur microtubular stabil ce intr n componena centrului celular ( cytocentrum). n majoritatea celulelor, centrul celular este situat juxta nuclear, n apropierea complexullui Golgi i conine unul sau doi centrioli, ce sunt nconjurai de o zon citoplamatic clar, denumit material pericentriolar. Centrul celular lipsete n celulele nalt specializate (eritrocit, rabdocit, neuron), iar cnd este prezent coordoneaz mobilitatea celular n timpul diviziunii. (Fig.5.20.)

Fig.5.21.Aspectul centrului celular la microscopul optic A- n intercinez; B- n timpul diviziunii.

La microscopul electronic, fiecare centriol apare ca o structur cilindric (n lungimre de 0,5 m i cu diametrul de 0,11 m), dispus perpendicular pe congenerul su. Fiecare centriol este format din 9 triplete (triplomicrotubulus) de microtubuli, notai de la interior spre exterior cu A,B,C i mbrcai ntr-o mas de substan dens. Centrul cilindrului este lipsit de microtubuli, realizndu-se o structur de tipul "9+0", diferit de structura axonemei cililor i flagelului, care este de tipul "9+2".(Fig.5.22)

Fig.5.22.Ultrastructura centriolilor 1-Triplet de microtubuli

Centrul celular (sau centrozomul ) joac rolul de organizator al microtubulilor, datorit faptului c materialul pericentriolar format din proteine i ARN, determin polimerizarea tubulinelor i asamblarea microtubulilor, care au captul negativ ( - ) n materialul pericentriolar din centrazom, n timp ce captul pozitiv ( + ) dispus distal prezint o cretere intens. Datorit funciei sale de organizator temporar, spaial i vectorial al microtubulilor, centrul celular este implicat n toate procesele n care acetia apar ca organizatori ai citoscheletului. Centrul celular intervine i n direcionarea micrilor de locomoie ameboidal ( a fibroblastelor i leucocitelor), situndu-se naintea nucleului pe direcia micarii celulelor.Tot odat, centrul celular particip i definirea polaritii celulei, dispunndu-se ca i complexul Golgi, apical fa de nucleu n celulele epiteliale. 5.3.3.3. Fusul de diviziune Fusul de diviziune (fusus mitoticus) este o structur intra celular, format din microtubuli (microtubuli fusalis) ce realizeaz o legtur ntre centriolii care se despart i migraz la cei doi poli ai celulei, n timpul diviziunii celulare.

n interfaz, centrozomul este situat n vecintatea nucleului i din el pleac microtubuli n toat citoplasma. n timpul fazei "S" a ciclului celular ncepe dublarea centrului celular prin separarea centriolilor, n vecintatea fiecruia din centriolii vechi producndu-se asamblarea unui centriol, nou perpendicular pe cel vechi. Concomitent cu deplasarea spre polii celulei a centrilor celulari, microtubulii formeaz filamente ce se dispun sub forma unui fus de diviziune.Fiecare filament este alctuit din circa 100 microtubuli i proteinele asociate lor.ntre microtubuli din fus i moleculele de tubulin din citosol se stabilete un echilibru dinamic.(Fig.5.22)

Fig.5.22.Participarea microtubulilor la formarea fusului de diviziune 3-Centrioli; 2-Microtubuli;3-Fibrele fusului de diviziune; 4-Cromozomi.

5.3.3.4. Cilii i flagelul Cilii (cilium,a) i flagelul (flagellum) sunt expansiuni celulare permanente, formate din citoplasm i membran celular, dispuse la polul apical al celulei. n structura lor, microtubulii sunt prezeni, n axul citoplasmatic ciliar, denumit axonem (axonema), fiind dispui ordonat, paraleli ntre ei i cu axul longiutudinal al formaiunii. La baza fiecrei axoneme se afl cte un corpuscul bazal (corpusculum basale), ce are organizarea unui centriol. Cilii pot fi vibratili ( sau kinetocili) i nevibratili (sau stereocili). La cilii vibratili (din mucoasa traheal, nasal), axonema este format din doi microtubuli axiali, nconjurai, la periferie de nou dublete de microtubuli. Fiecare dublet cuprinde un microtubul complet sau subfibra A, format din 13 protofilamente i un microtubul incomplet sau subfibra B, format din 10 sau 11protofilamente. Tubulinele alfa ( ) i beta ( ) ce formeaz subfibra A sunt diferite de tubulinele omoloage din subfibra B.

Fig.5.24. Ultrastructura cililor

De la fiecare subfibr A pornesc nspre subfibra B din dubletul vecin dou brae simetrice n form de clete formate din molecule de dinein, care este o protein-enzim bogat n ATP-az. Braele de dinein sunt dispuse n lungul microtubulului la intervale regulate de 24 nm. La intervale mai mari de 24 nm exist, din loc n loc, la o distan de 86,5 nm legturi elastice, formate dintr-o alt protein, denumit nexin. De la subfibra A pleac spre centrul axonemei cte un bra de legtur (sau spi), ce se termin printr-o poriune globular, n vecintatea tecii interne ce nconjoar cei doi microtubuli centrali.(Fig.5.25). Flagelul (flagellum), de obicei, unul singur pentru fiecare celul (expl. la spermatozoid) prezint o structur asemntoare cu a cilului, dar mai complex. Axonema sa este structurat dup tipul "9+2", prezentnd n jurul su o coroan de mitocondrii ce a asigur ATP-ul necesar micrii. Cilii nevibratili sau stereocilii ( de exempl. cei din epididim i din urechea intern) au aceiai structur ca i cilii mobili, cu deosebirea c lipsesc cei doi microtubuli centrali din axonem. Micrile celulare ce au la baz sistemul microtubul-dinein sunt pe deoparte micrile caracteristice cililor i flagelilor, iar pe de alt parte sunt micrile cromozomilor din cursul diviziunii celulare.

Fig.5.25.Seciune transversal prin axonema unui cil A - Subfibra A.; B - Subfibra B. a-Brae de dinein; b-Legturi de nexin; c-Spi; d-Teaca intern; e-Microtubuli centrali; f-Tija cilului; g-Rdcina cilului.

Micarea cililor i flagelilor se realizeaz prin alunecarea unui dublet periferic n raport cu dubletul vecin lui.Alunecarea depinde de legarea ciclic a dineinei subfibrei A dintr-un dublet de subfibra B a dubletului vecin,

nct braele de dinein "pesc " de-a lungul dubletelor, producnd energia necesar btilor cilului sau a flagelului.Se realizeaz astfel glisarea dubletelor unul peste altuli ncovierea cilului i flagelului. Dineina prezint o funcie similar cu a miozinei, prezentnd activitate ATPazic, nct prin scindarea ATP-ului furnizeaz energia necesar micrii. ATP-ul provine din glicoliz i difuzeaz prin citoplasm n axonema cililor, pe cnd, n flageli, ATP-ul este generat de mitocondriile ce nconjoar axonema. Legturile radiare (spiele) dintre teaca intern i dubletele periferice, precum i teaca intern au rolul de a controla activitatea braelor de dinein, nct s se produc o und coerent de micri de la baz spre vrf. Astfel cilii au micri ciclice n doi timpi (btaie - revenire), ce dureaz 0,1-0,2 secunde, n timp ce flagelul are o micare ondulatorie sinusoidal sau elicoidal.(Fig.5.26).

Fig.5.26. Schema micrii flagelului (A) i a cililor. a-Btaie; b-Revenire

n condiii patologice, pot aprea tulburri funcionale ale cililor datorit unor anomalii localizate fie la nivelul corpuisculului bazal (centriol incomplet), fie la nivelul axonemei (complexe tubulare supranumerare, sau cu aranjament dezorganizat) ,fie n

pri componente ale cilului. De asemenea, absena dineinei produce sindromul cililor imobili (o boal genetic), care se caracterizeaz prin infecii respiratorii cronice (datorit incapacitii cililor de a curii cile respiratorii sau prin sterilitate (spermatozoizii fiind imobili).

5.4.Mitocondriile - organite generatoare de energie

Mitocondriile (mitochondrion gr.= filament,granul) sunt organite specializate n producerea de energie necesar activitii celulelor eucariote, comportndu-se ca nite centrale energetice, in care energia este eliberat prin oxidarea unor substrate i transformat n energie chimic (ATP) prin procesul de fosforilare oxidativ. Sunt fabricile de energie ale celulei. Mitocondriile sunt prezente n toate tipurile de celule cu excepia eritrocitului adult, n care lipsesc. Au fost observate la microscopul optic n a II-a jumtate a secolului XIX de ctre ALTMAN-1890, prin coloraie cu verde Janus i de BENDA-1897, care afolosit coloraia cu hematoxilin feric Regaud. Enzimele marker pentru mitocondrii sunt: monoaminoxidaza, citrocromoxidaza i enzimele ciclului Krebs. Numrul mitocondriilor difer de la o celul la alta n funcie de intensitatea activitii acestora, fiind mai mare n celulele mai active. Astfel, n hepatocite exist 1000-3000 de mitocondrii n citosol, n nefrocite-300, n spematozoizi 20-24, n timp ce n eritrocite lipsesc.Numrul mitocondriilor este mai redus n celulele cu activitate metabolic redus. Poziia mitocondriilor n celul este diferit.Ele pot fi rspdite, reletiv uniform, n ntreaga citoplasm ( de expl. n hepatocit) sau localizate n celul, n locurile unde ATP-ul este necesar n cantitate mai mare. Astfel: n muchiul scheletic, mitocondriile sunt dispuse ntre miofibrile; -n spermatozoid, sunt aranjate helicoidal n jurul axonemei flagelului; - n neuroni, n regiunea sinaptic; - n panceasul endocrin, mitocondriile sunt alturate reticulului endoplasmic rugos, genernd ATP-ul necesar biosintezei proteinelor. Mitocondriile se concentreaz la polii activi ai celulelor polarizate funcional: - la polul bazal, n nefrocite; - la polul apical, n enterocite;- perinuclear, n momentele de intens activitate de sintez, dup care se rspdesc n citoplasm. Mitocondriile i schimb mereu

poziia, putndu-se altura temporar unor organite aflate n intens activitate, n special reticulului endoplasmic. 5.4.1.Morfologie,structur i ultrastructur Dimensiunile mitocondriilor sunt variabile de la o celul la alta, ajungnd pn la 7 m lungime i 0,5 m grosime. n general, cu ct o celul este mai activ, cu att mitocondriile sunt mai mari. n celule aflate n repaus, dimesiunile sunt mai mici. La microscopul optic, mitocondria se poate prezenta sub trei aspecte:granule ( granulum mitochondriale),mitocondrii individualizate , diseminate n citoplasm; -granule nirate ca nite mrgele pe a (condriomite)i filamente (filamentum mitochondriale) sau virgule (condrioconi ) (Fig.5.27).

Fig.5.27. Mitocondriile A. Aspecte la microscopul optic: 1-Condrioconte; 2-Bastonae Heidenhein;

3-Mitocondrii; 4-Condriomite; 5-Condrioconi, localizai bipolar. B.Aspecte la microscopul electronic: 6-Organizarea spaial a mitocondriei; 7-Ultrastructura membranelor; 8-Aspecte ale cristelor; 9-Ultrastructura cristelor; 10-Seciune transversal printr-o crist.

Ultrastructura mitocondriilor a fost elucidat de PALADE i SJSTRAND1952, pe seciuni de ficat examinate electronomicroscopic. n ultrastructura mitocondriei intr dou membrane (membrana mitochondrialis), cu grosimea de 6 nm fiecare, ce delimiteaz dou compartimente.Membrana extern (membrana mitochondrialis externa) este neted, n timp ce membrana intern (membrana mitocondrialis interna) dei urmrete conturul celei externe prezint din loc n loc pliuri sau invaginri denumite criste (latinescul crista= creast) mitocondriale cu grosimea de 25 nm, de forme variate. Numrul, dispoziia i dimensiunea cristelor variaz n raport cu tipul activitii metabolice i necesitile energetice ale celulei. Numrul cristelor este mai mare atunci cnd activitatea celulelor este mai intens. Cristele mitocondriale au forme variate, putnd aprea lamelate sau septate (sub form de foie sau septe) i tubulare ( tubulus),sub form de cilindri sau veziculare (vesicula). Cristele pot fi orientate perpendicular sau paralel cu axul longitudinal al mitocondriei. Ele pot fi rectilinii,ramificate sau ncruciate n reea, compartimentnd matricea mitocondriei. (Fig.5.28).

Fig.5.28.Ultrastructura mitocondriei 1-Crist; 2-ADN-mitocondrial;3-F1-ATP-az; 4-Membrana extern; 5-Membrana intern;6-Spaiul intermembranar; 7Ribozomi; 8-Incluziuni; 9-Matrice; 10-Particul elementar(F1): a-piesa bazal,b-piesa intermediar,cpiesa superioar.

ntre cele dou membrane (extern i intern) se delimiteaz un compartiment extern (spatium intermembranosum) de 78nm. Membrana intern delimiteaz un compartiment intern sau matricea mitocondrial (matrix mitochondrialis). La nivelul membranei interne, prin tehnici adecvate (coloraie negativ cu acid fosfotungtic, pentru a obine un contrast mai mare la microscopul electronic) s-au

evideniat subuniti de membran sau particule elementare (particule F1) (particula elementaria s. spherula s.sphaerula membrane). O particul elementar apare ca o proeminen de 10 nm, format din trei piese: bazal, intermediar i superioar. Particulele elementare conin o enzim, F1 - ATP-az, ce face parte din complexul enzimatic ce particip la sinteza ATP-ului.(Fig.5.29) Membrana mitocondrial intern este mai puin permeabil dect membrana mitocondrial extern, comportndu-se ca unfel de barier ntre matricea mitocondrial i restul mitocondriei. Prin ea trec spre spaiul intern: -ioni de calciu (Ca 2+) i magneziu (Mg2+), necesari activitii enzimelor cuprinse n matricea mitocondrial; - molecule de ADP i ATP, necesare desfurrii procesului de fosforilare activ; -acizi grai i unii aminoacizi (glutamatul i apartatul). Transportul prin membran a acestor produi se realizeaz cu ajutorul unor proteine din membran,care servesc ca transportori sau crui (translocazele i permeazele).

Fig.5.29. Organizarea particulelor elementare 1-Factorul de cuplare; 2-Citocromi; 3-Succinat dehidrogenaza.

5.4.2. Matricea mitocondrial. Matricea mitocondrial conine enzime, vitamine (B,A,C), acizi nucleici (ADN i ARN), ioni ( K+, Na+, Ca 2+, Mg2+) i granule de glicogen, lipide, riboproteine (ribozomi). Enzimele matricei aparin la urmtoarele sisteme: -sistemul enzimatic al ciclului acidului citric (Krebs); - sistemul enzimatic al beta oxidrii acizilor grai; -sistemul enzimatic de fosforilare oxidativ; enzime care intervin n sinteze specifice; -enzime proteolitice. Acizii nucleici mitocondriali sunt reprezentai de ARN ribozomal, ARN mesager, ARN de transfer i ADN. Molecula de ADN mitocondrial (cu lungimea de 20m) este circular, asemntoare cu cea a procariotelor. Replicarea ADN-ului mitocondrial nu se produce sincron cu replicarea ADNului nuclear i nici n mod continuu. Sinteza ADN-ului mitocondrial se produce mai lent dect n cazul ADN-ului nuclear i independent de acesta.

ADN-ul mitocondrial este sintetizat independent n matricea mitocondrial,fapt demonstrat prin evidenierea n matrice a enzimei care catalizeaz biosinteza ADN-ului, enzim denumit ADN-polimeraza. Ribozomii mitocondriali au diametrul de 15 nm i sunt asemntori celor de la procariote, de tip 70 S, cu cele dou subuniti: mare, de 50S i mic, de 30S. Mitocondria are autonomie genetic parial, ntruct posed un cromosom (cromosoma mitochondrialis) ce conine programul genetic (ADN-ul mitocondrial), i este capabil s-i sintetizeze singur, fr ajutorul nucleului unele protein-enzime (datorit nzestrrii cu ribozomi proprii, ce biosintetizeaz proteine).Codul genetic folosit de mitocondrie difer parial de codul genetic nuclear.

5.4.3.Procesele metabolice mitocondriale

Aparin pe de o parte metabolismului energetic, iar pe de alt parte metabolismului sintetetic. Mitocondria este sediul metabolismului celular aerob, dependent de oxigen, care include: 1- ciclul acidului citric (KREBS); 2- oxidarea acizilor grai i 3fosforilarea oxidativ. Prin aceste procese, n mitocondrii se produce ntreaga cantitate de energie (sub form de ATP) necesar creterii,funcionrii i vieii celulei, nct mitocondriile se comport ca nite centrale energetice celulare. ntr-un caz ipotetic, n care celulele animale ar fi lipsite de mitocondrii, producerea de energie ar depinde de glicoliza anaerob, n care fiecare molecul de glucoz genereaz dou molecule de ATP. n realitate, n mitocondrii, metabolismul glucozei este complet, oxidarea mergnd pn la CO2 i H2O, nct fiecare molecul de glucoz produce 36 molecule de ATP.Prin hidroliza ATP-ului se elibereaz o cantitate important de energie (8.000-10.000 Kcal/mol) necesar proceselor metabolice. n cazul acizilor grai, acetia trec din citosol n matricea mitocondrial, unde intr n ciclul beta-oxidrii,pierznd n mod repetat cte doi atomi de carbon de la captul carboxil i rezultnd o molecul de acetil-coenzim A. Totodat, n urma glicolizei ce are loc n citosol,rezult dou molecule de piruvat, care n matricea mitocondrial este convertit de ctre complexul piruvat dehidrogenaz n acetil coenzima A.

Acetil coenzima A, rezultat din acizii grai sau din glucoz intr n ciclul acidului citric (ciclul KREBS), ce are loc n matricea mitocondrial.La acest nivel cu ajutorul oxigenului molecular, produs de respiraia celular, au loc oxidri n urma crora rezult energie ce este folosit pentru sinteza de ATP, de ctre complexul ATP- sintetazei, prezent n membrana mitocondrial intern. Celulele dispun de depozite de lipide (trigliceride) n esutul adipos i de glucide (glicogen), n ficat i muchi, prin care se asigur o surs continu de piruvat. Participarea mitocondriilor la efectuarea unor procese metabolice este posibil datorit existenei unui mozaic complex de enzime,localizate n diferite structuri mitocondriale, precum membrana extern, membrana intern cu criste i particule elementare, compartimentul extern (sau spaiul intermembranar) i compartimentul intern (sau matricea mitocondrial).Astfel, enzimele care intervin n ciclul acidului citric i n beta -oxidarea acizilor grai sunt localizate n membrana extern i n matricea mitocondriilor.Enzimele i ali factori care particip la procesul de fosforilare oxidativ (generatoare de ATP) sunt localizate n membrana intern,respectiv n criste.n particulele elementare ale membranei interne se afl localizat enzima denumit factorul de cuplare F1, care posed activitate ATP-azic i catalizeaz ultima etap a formrii ATP-ului. Procesele metabolice biosintetice pot avea loc, datorit faptului c mitocondriile conin ADN, ARN, ribozomi i toate enzimele necesare exprimrii genelor mitocondriale.n mitocondrii se desfoar unele etape din sinteza hemului i a hormonilor steroizi, ca de exemplu n celulele interstiiale din ovar i testicul, n corticosuprarenal. Structura chimic a mitocondriilor cuprinde 65-70% proteine (din care 30% structurale i 70% enzime), 25-28% lipide (fosfolipide, lecitine, trigliceride, cardiolipin), 0,5% ARN, AND (n cantitate mic),glucide,ioni,ap i uneori vitaminac. ntr-o mitocondrie, toate proteinele, ca i toate lipidele sunt n locuite la aproximativ 20 de zile, nct mitocondria se renoiete continuu, iar cnd iese din funcie, este ndeprtat prin autofagie cu ajutorul lizozomilor.

5.4.4. Originea mitocondriilor

n celul, noile mitocondrii apar prin condrodierez (clivaj,despicare), nct dintr-o mitocondrie funcional rezult dou organite asemntoare. Se

menioneaz i posibilitatea de formare a mitocondriilor din molecule proteice i lipidice sintetizate n celul sau din alte citomembrane, n special din cele ale reticulului endoplasmic. n filogenez, primele mitocondrii au aprut n celulele animale prin transformarea unor bacterii care, odat ptrunse n celul animal i-au pierdut virulena, i-au structurat o a doua membran (membrana mitocondrial extern), i-au adoptata metabolismul la celula gazd, devenind un organit endo-simbiont. Mitocondria,ca i bacteriile prezint o molecul de AND circular, iar unele enzime sunt prezente att n bacterii, ct i n mitocondrii.

5.4.5. Funciile mitocondriilor

Mitocondriile ndeplinesc un rol esenial n metabolismul energetic al celulelor vii, producnd energia necesar desfurrii oricrei activiti celulare (diviziune,difereniere,secreie, contracie muscular, transmitere nervoas).Energia este generat prin aciunea enzimelor oxido-reductorii mitocondriale i prin procesul fosforilrii active sub forma molecelor macroergice de ATP.Enzima denumit ATP-az, scindeaz molecule de ATP i elibereaz energia pe care acestea o conin. n cursul desfurrii reaciilor enzimatice oxidative i ale cuplrii oxidrii cu fosforilarea, mitocondria sufer o serie de modificri de form i strucutur, ce formeaz un ciclu fiziologic de umflare contracie. n acest ciclu, membrana extern rmne nemodificat, n timp ce membrana intern permite micri ale apei i ionilor cu ajutorul translocatorilor specifici. (Fig.5.30)

Fig.5.30. Ciclu fiziologic de balonare-contracie al mitocondriei. 1-Mitocondrie nemodificat; 2-Mitocondrie condensat; 3Mitocondrie balonat.

n stare de contracie,datorit proteinelor contractile pe care le conine, mitocondria i micoreaz mult volumul, spaiul intermembranar se reduce, iar cristele mitocondriale se taseaz, organitul, n totalitatea sa, aprnd electronodens.

n starea de balonare, mitocondria acumuleaz o cantitate mrit de ap, i mrete volumul, se sterg cresteler mitocondriale, iar cele dou membrane ajung n contact una cu cealalt. Aceste modificri pot fi fiziologice i reversibile. Balonarea se datorete pe de o parte modificrii raportului ATP/ADP de la suprafaa extern a mitocondriei, ct i datorit acumulrii peste normal a unor ioni.


Top Related