C I T O L O G I E C I T O L O G I E A N I M A L A N I M A L ĂĂ

01.10.2013 – 18.11.2013

Conf. dr. Marina Nechifor

CITOLOGIE ANIMALĂCelula animală1 oct. – 18 noiembrie 2013

CITOLOGIE VEGETALĂCelula vegetală19 noiembrie 2013 – 21 ianuarie 2014

BIBLIOGRAFIEBIBLIOGRAFIE Alberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P.

(2008) MOLECULAR BIOLOGY OF THE CELL, ediţia a V-a, Editura Garland Science (New York & London).

Lodish H., Berk A., Kaiser C.A., Krieger M., Scott M., Bretscher A., Ploegh H., Matsudaira P. (2007) MOLECULAR CELL BIOLOGY, ediţia a VI-a, Editura W.H. Freeman & Company (New York).

Alberts B., Bray D., Lewis J., Raff M., Roberts K., Watson J.D. (1994) MOLECULAR BIOLOGY OF THE CELL, ediţia a III-a, Editura Garland Science (New York & London).

Lodish H., Berk A., Zipursky S.L., Matsudaira P., Baltimore D., Darnell J. (2000) MOLECULAR CELL BIOLOGY, editia a IV-a, Editura W.H. Freeman & Co (New York).

Cruce M. (1999) BIOLOGIE CELULARĂ ŞI MOLECULARĂ, Editura AIUS (Craiova), Colecţia Hipocrate.

Nechifor M.T. (2002) BIOLOGIE ŞI PATOLOGIE CELULARĂ (Vol.1) Editura Ars Docendi, Bucureşti.

Alberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P. (2008) MOLECULAR BIOLOGY MOLECULAR BIOLOGY OF THE CELLOF THE CELL, ediţia a V-a, Editura Garland Science (New York & London).

Teoria CelularTeoria Celularăă

Toate organismele vii sunt alcătuite din celule Celula reprezintă unitatea morfologică şi

funcţională a lumii vii. Celulele se formează prin diviziunea unor celule

preexistente; generarea spontană a celulelor nu este posibilă.

Celulele păstrează informaţia ereditară; acesta este transmisă celulelor fiice ce se formează în urma diviziunii celulare.

ORIGINEA ŞI EVOLUŢIA CELULELORORIGINEA ŞI EVOLUŢIA CELULELOR În prezent este unanim acceptată ideea că unitatea morfologică şi funcţională a lumii vii este celula. Dar cum a apărut prima celulă şi cum se poate explica diversitatea celulelor actuale, evoluate ?Se presupune că toate tipurile de celule ale organismelor vii au evoluat dintr-un strămoş comun cu organizare precelulară.Primele organisme vii au apărut în urmă cu 3,5-3,8 miliarde de ani (aproximativ după 1 miliard de ani de la formarea Pământului).

Evenimentele majoreEvenimentele majoreale apariţiei şi evoluţieiale apariţiei şi evoluţieicelulelorcelulelor

EETAPA PRECELULARĂTAPA PRECELULARĂ

Atmosfera Pământului primitiv a oferit condiţii pentru formarea spontană a moleculelor organice (aminoacizi, glucide simple, uree, acizi graşi şi alte molecule cu importanţă biologică), ce au reprezentat materialul de bază pentru formarea organismelor vii.

Etapa următoare a evoluţiei a constituit-o formarea macromoleculelor, prin asamblarea spontană, în condiţii prebiotice, a unităţilor de bază reprezentate de aminoacizi, nucleotide, glucide.

Aminoacizi → Lanţuri polipeptidice (PROTEINE) Nucleotide → Lanţuri polinucleotidice (ACIZI NUCLEICI)

Secvenţă polinucleotidicădublu catenară (ADN)

Secvenţe polipeptidice(proteine)

Originea vieţii: Originea vieţii: FFormarea spontană a moleculelor organiceormarea spontană a moleculelor organice 1920 – Aleksander Oparin şi John Haldane1953 – Stanley Miller şi Harold Urey: sinteza de compuşi organici din precursori anorganici

Instalaţia utilizată pentru experimentul lui Stanley şi Urey

Diagrama instalaţiei folosite de Stanley şi Urey

Formarea macromoleculelorFormarea macromoleculelor“Lumea ARN-ului”“Lumea ARN-ului”

Un moment hotărâtor în apariţia sistemelor vii l-a reprezentat apariţia însuşirii de autoreproducere. Numai macromoleculele capabile de a-şi dirija propria sinteză, care să ducă la formarea mai multor molecule de acelaşi tip au avut importanţă pentru evoluţia ulterioară.

Dintre macromoleculele existente în mediul prebiotic (acizi nucleici şi proteine) doar acizii nucleici, respectiv doar acidul ribonucleic (ARN), a avut capacitatea să-şi dirijeze propria replicare.

Acidul ribonucleic a constituit macromolecula esenţială pentru formarea primelor celule. Acest stadiu al evoluţiei celulare a fost numit lumea ARN-ului (concept elaborat de Walter Gilbert în 1986).

ARN-ul a precedat ADN-ul pe parcursul evoluţiei.

CELULA PRIMITIVCELULA PRIMITIVĂĂ

Prin asamblarea spontană a lipidelor din mediul apos s-au format sisteme membranare capabilă să delimiteze ARN-ul cu proprietăţi de autoreplicare şi o serie de molecule asociate, rezultând celula primitivă.

Pe măsura evoluţiei, funcţiile îndeplinite de ARN au fost preluate de ADN (informaţia genetică este mai bine stocată şi stabilizată în moleculele de ADN dublu catenare). Ulterior proteinele au devenit catalizatorii cei mai importanţi, iar ARN-ul funcţionează în prezent ca element de legătură între ADN şi proteine

ADN → ARN → Proteine

CELULA ACTUALCELULA ACTUALĂĂ

În prezent este acceptată ideea ca celulele actuale au evoluat dintr-o celulă ancestrală comună numită PROGENOTPROGENOT (entitate (entitate cvasi-celulară)cvasi-celulară).

În cursul evoluţiei s-au diferenţiat trei linii celulare distincte: ARCHAEBACTERII, EUBACTERII şi EUCARIOTEARCHAEBACTERII, EUBACTERII şi EUCARIOTE.

Aceste trei linii celulare au fost încadrate în două tipuri principale de celule:

Procariote Procariote (PK)(PK) - - pro=înainte, karyon=miez, nucleu; limba greacă Eucariote (EK)Eucariote (EK) - eu=adevărat, karyon=miez, sâmbure; limba greacă

“Celula” ancestrală (progenot) şi diferenţierea celor trei linii celulare: archaebacterii, eubacterii şi eucariote.

Diferenţierea celor trei linii celulare: archaebacterii, eubacterii şi eucariote. Arhaebacteriiile şi eucariotele sunt grupuri înrudite filogenetic.

Între celulele procariote şi eucariote există deosebiri esenţiale în ceea ce priveşte organizarea lor morfologică şi funcţională, dar există şi o serie de asemănări care atestă evoluţia lor din aceeaşi celulă ancestrală.

Toate cele trei linii celulare au avut un strămoş comun, şi prin urmare celulele procariote nu sunt strămoşi ai celulelor eucariote.

PROCARIOTELEPROCARIOTELE sunt cele mai simple forme celulare de organizare a vieţii. Din această categorie fac parte archaebacteriilearchaebacteriile şi eubacteriileeubacteriile. ► Procariotele nu au nucleu delimitat de sisteme membranare, ci un corp nucleoid reprezentat de ADN, neconjugat cu proteine bazice şi care este ataşat de membrana celulară. ► Citoplasma este lipsită de organite delimitate de endomembrane, dar prezintă ribosomi liberi. ► Membrana plasmatică este dublată la exterior de o membrană protectoare. ► Principalele caracteristici ale procariotelor sunt capacitatea de a prolifera rapid şi de a se adapta relativ uşor la variaţiile condiţiilor de mediu.

Reprezentarea schematică a celulei procariote.

PROCARIOTE:PROCARIOTE:

ArchaebacteriileArchaebacteriile sunt reprezentate de bacterii ce trăiesc în

condiţii de mediu extreme (de ex. în ape termale, zona arctică).

Din acest grup fac parte bacteriile sulfuroase, bacteriile halofile şi bacteriile metanogene.

Condiţiile de mediu extreme sunt neobişnuite în zilele noastre, dar ele au fost specifice momentului apariţiei vieţii pe Pământ.

Un exemplu de archaebacterii îl reprezintă bacteriile termoacidofile care trăiesc în izvoare sulfuroase calde cu temperaturi de peste 80oC şi cu valori ale pH-ului extrem de acide (<2).

EubacteriileEubacteriile (bacteriile adevărate) sunt reprezentate de forme comune ale bacteriilor actuale. Ele sunt foarte numeroase şi trăiesc într-o mare diversitate de medii: apă, aer, sol, alte organisme (de exemplu bacteriile patogene). Bacteriile au fost împărţite în 2 grupe în funcţie de structura peretelui celular şi coloraţia Gram.

Coloraţia GramColoraţia Gram

Bacterii Gram-pozitiveStaphylococcus aureus

Bacterii Gram-negativeEscherichia coli

Christian Gram(1853-1938)

Majoritatea celulelor bacteriene au formă sferică, de bastonaş sau de spirală.

Ca model de structură pentru celulele procariote poate fi prezentată Escherichia coli, bacterie întâlnită în tractusul intestinal uman.

Escherichia coli este o celulă în formă de bastonaş cu o lungime de 2 μm şi diametrul de 1 μm.

Asemănător majorităţii procariotelor, E.coli este înconjurată de un perete celular rigid alcătuit din polizaharide şi peptide.

Sub peretele celular se află membrana plasmatică reprezentată de un bistrat lipidic în care sunt integrate proteinele membranare.

Citoplasma conţine genomul celular (ADN circular condensat sub formă de nucleoid), ribozomi şi diferite incluziuni.

Procariotele pot avea ADN extracromozomal (elemente denumite plasmide)

EUCARIOTELEEUCARIOTELE au o organizare celulară complexă: prezintă un nucleu adevărat, numeroase organite citoplasmatice şi citoschelet.

Eucariotele au apărut în urmă cu 2 miliarde de ani. Celulele eucariote sunt caracteristice plantelor şi animalelor. In cadrul eucariotelor sunt incluse şi o serie de organisme unicelulare: alge, protozoare, ciuperci, drojdii.

Figura 3. Reprezentarea schematică a celulei eucariote: 1 – nucleol, 2 – nucleu, 3 – ribosom, 4 – veziculă, 5 – reticul endoplasmic rugos, 6 – aparat Golgi, 7 – citoschelet, 8 – reticul endoplasmic neted, 9- mitocondrii, 10 – vacuolă, 11 – citosol, 12 – lizozom, 13 – centrioli.

Organizarea structuralOrganizarea structuralăă a celulei EK a celulei EK

Celulele eucariote sunt înconjurate de membrana plasmatică. Spre deosebire de procariote, celulele eucariote prezintă numeroase membrane intracelulare (endomembrane) ce formează structuri specializate denumite organite celulare: nucleu, mitocondrii, aparat Golgi, reticul endoplasmic, lizosomi, peroxizomi, cloroplaste (la plante). Cel mai mare organit al celulelor eucariote este nucleul, cu un diametru de aproximativ 5 μm. Compartimentalizarea mediului intracelular prin endomembrane permite celulelor eucariote să funcţioneze mult mai eficient comparativ cu procariotele. De exemplu, mitocondriile şi cloroplastele joacă un rol fundamental în cadrul metabolismului energetic al celulei. Dacă se îndepărtează membrana plasmatică şi organitele, din celulă rămâne citosolul. Citosolul are consistenţa unui gel şi reprezintă locul de desfăşurare a numeroase reacţii metabolice.

AsemAsemăănnăări privind organizarea structuralri privind organizarea structuralăă a PK a PK şşi EKi EK

În ciuda diferenţelor marcante privind organizarea structurală, toate celulele, atât cele PK cât şi cele EK prezintă o serie de asemănări.

Membrana plasmatică este o structură comună, ce îndeplineşte roluri similare pentru ambele tipuri de celule.

Membrana plasmatică:

- separă mediul intern intracelular de mediul extracelular,

- reglează schimburile de substanţe (molecule şi ioni) ale celulei cu mediul extracelular (permebilitate selectivă)

- menţine potenţialul electric al celulei.

Materialul genetic (ereditar). Toate celulele, atât cele PK cât si cele EK, posedă ADN ca material ereditar, şi diferite tipuri de ARN utilizate pentru sinteza proteinelor.

Comparaţie privind organizarea structurală şi funcţională a celulelor procariote şi eucariote

Proprietăţi caracteristice PROCARIOTE EUCARIOTE

Tipuri de organisme EubacteriiArchaebacterii

-Protiste (EK unicelulare): alge, protozoare, drojdii-Fungi-Plante-Animale

Dimensiunea celulei Mică, circa 0,2-2 μm Mare, de obicei 10-100 μm

Metabolism Divers, anaerob şi aerob Aerob (cu excepţia celulelor fără mitocondrii)

Organite Nu au organite delimitate de membrane

Numeroase organite: nucleu, mitocondrii, lizosomi, peroxisomi, cloroplaste

Acid deoxiribonucleic (ADN) ADN circular, necomplexat cu proteine

ADN de dimensiuni mari, organizat la nivelul nucleului, complexat cu histone

Cromozomii O singură moleculă de ADN circular Numeroase molecule de ADN liniar

Acid ribonucleic (ARN) şi proteine

ARN-ul şi proteinele sunt sintetizate în acelaşi compartiment intracelular

ARN sintetizat (transcris) şi prelucrat în nucleuProteinele sintetizate în citoplasmă

Ribosomi 70S 80S70S în mitocondrii şi cloroplaste

Proprietăţi caracteristice PROCARIOTE EUCARIOTE

Citoschelet Absent Reţea complexă alcătuită din microtubuli, microfilamente şi filamente intermediare

Perete celular Peptidoglican Absent la animaleCeluloză (plante) sau chitină (insecte)

Diviziunea celulară Prin fisiune (diviziune binară) Prin mitoză

Reproducerea Prin fisiune binară, înmugurire

Fisiune şi înmugurire la EK inferioareSexuată, cicluri de meioză-fertilizare la animale şi plante superioare

Organizarea Unicelulară Multe pluricelulare, cu diferenţieri în numeroase tipuri de celule

Toleranţa la mediu Proliferare rapidă şi adaptabile la variaţii mari ale factorilor de mediu

Suportă variaţii limitate ale factorilor de mediu

• Pe baza similitudinilor dintre PK şi unele organite din celulele EK, biologul american Lynn Margulis a lansat în anul 1967 ideea că o serie de organite au rezultat prin asocierea endosimbiotică dintre celule diferite. • Teoria endosimbiotică este susţinută în special de cercetările asupra mitocondriilor şi cloroplastelor.

Teoria endosimbioticăTeoria endosimbiotică

Dr. Lynn Margulis (1938-2011)iniţiatoarea teoriei endosimbiotice

Deşi iniţial a fost contestată, în prezent teoria endosimbiotică este unanim acceptată şi se apreciază că mitocondriile provin din bacterii aerobe, iar cloroplastele din bacterii fotosintetizante.

Originea endosimbiotică a organitelorOriginea endosimbiotică a organitelor

Iniţial atmosfera Pământului era lipsită de oxigen molecular. Etapa evolutivă următoare a fost marcată de procesul de fotosinteză, ce a permis celulelor să folosească energia solară. În acest proces celulele folosesc apa ca donor de electroni şi hidrogen pentru transformarea CO2 în molecule organice.

Procesul de fotosinteză este însoţit de eliberarea de oxigen molecular. Prin acest mecanism, în urmă cu aproximativ 2 miliarde de ani în atmosfera Pământului s-a produs oxigen molecular din abundenţă. După apariţia oxigenului, celulele s-au diversificat, iar o parte din celule au adoptat o cale alternativă de supravieţuire bazată pe un metabolism oxidativ. Se presupune că metabolismul oxidativ a furnizat un avantaj acestor celule comparativ cu cele cu metabolism anaerob. Prin asocierea simbiotică dintre o celulă anaerobă cu o celulă aerobă, şi celula anaerobă a obţinut capacitatea de a susţine un metabolism aerob.

Celula gazdă (celulă eucariotă ancestrală) a înglobat prin endocitoză o bacterie aerobă (precursorul mitocondriei) iniţiind o relaţie de simbioză.

Formarea cloroplastelor - endosimbioza serială

Argumente in favoarea teoriei endosimbioticeArgumente in favoarea teoriei endosimbiotice:: Mitocondriile şi cloroplastele sunt asemănătoare cu bacteriile în ceea ce priveşte dimensiunea.

Mitocondriile şi cloroplastele au propriul lor sistem genetic (sunt purtătoare de informaţie genetică) care este separat de genomul nuclear al celulei.

Ribozomii din mitocondrii şi cloroplaste şi ARN-ul ribozomal sunt strâns înrudite cu omologii lor de la bacterii.

Trebuie menţionat însă că, pe parcursul evoluţiei o mare parte din genomul bacteriei a fost încorporat în genomul nuclear al celulei, astfel încât numai o parte dintre componentele mitocondriilor şi cloroplastelor sunt codificate la eucariotele actuale de ADN-ul localizat în mitocondrii, respectiv în cloroplaste.

Organismele multicelulareOrganismele multicelulareÎn cursul evoluţiei ulterioare a celulei eucariote s-a realizat specializarea şi diversificarea celulară, fenomene ce au contribuit la formarea şi evoluţia organismelor multicelulare. Organismele pluricelulare au evoluat din EK unicelulare cu aproximativ un miliard de ani în urmă. O serie de eucariote unicelulare, de exemplu alga verde Volvox, formează agregate multicelulare (colonii) care par să reprezinte punctul de tranziţie evolutivă de la o singură celulă la organismele pluricelulare.

Volvox aureus

Celulele individuale comunică între ele prin intermediul unor cordoane fine de citoplasmă, astfel încât întreaga colonie se poate deplasa într-o manieră coordonată, ca entitate unică.

Organismele multicelulare primitive sunt formate din două tipuri de celule ce îndeplinesc funcţii diferite. Unele celule sunt mici şi mai numeroase şi sunt de obicei specializate pentru mişcare şi mor după un număr limitat de diviziuni celulare. A doua categorie este reprezentată de celule mari ce sunt specializate pentru reproducere şi care au o capacitate de proliferare nelimitată.

Organismele multicelulare mai evoluate prezintă un grad mare de complexitate în ceea ce priveşte organizarea celulară. În cadrul unui organism multicelular unele celule alcătuiesc corpul (soma) şi se numesc celule somatice, iar altele servesc ca precursori pentru o nouă generaţie. La plantele superioare şi la animale aceste celule prezintă particularităţi speciale şi se numesc celule germinale. Din celulele germinale se vor forma toate tipurile de celule dintr-un organism multicelular. Celulele germinale sunt necesare pentru reproducerea sexuată prin care se realizează posibilităţi multiple de recombinare a genelor unei specii, proces ce a stat la baza variabilităţii organismelor.

A single ~200 micrometer (m) cell, the human egg, with sperm, which are also single cells. From the union of an egg and sperm will arise the 10 trillion cells of a human body.

CeluleCelulelele procariote şi eucariote procariote şi eucariote sunt sunt utilizate ca utilizate ca modele experimentalemodele experimentaleStudiile de biologie celulară şi moleculară folosesc ca modele experimentale diferite tipuri de celule şi organisme.

Escherichia coli a fost folosită pentru investigarea unor mecanisme fundamentale, cum sunt: replicarea ADN, expresia genelor şi sinteza proteinelor, descifrarea codului genetic. Avantajul acestui model experimental constă în simplitatea sa şi în uşurinţa cu care această bacterie se poate reproduce în laborator. Genomul E.coli are dimensiuni reduse (codifică circa 4.000 de proteine, comparativ cu organismul uman care codifică aproximativ 100.000 proteine diferite).

Saccharomyces cerevisiaeStudiile pe drojdii au permis înţelegerea multor procese fundamentale cum sunt: replicarea ADN, transcrierea şi procesarea ARN, sortarea proteinelor şi reglarea diviziunii celulare.

Genomul E.coli

Dictyostelium discoideum este un EK unicelular simplu. Este o celulă deosebit de mobilă şi a constituit un model pentru studiul mecanismelor moleculare ce controlează mişcarea celulară. În condiţii nefavorabile, în lipsa unei cantităţi adecvate de hrană, celulele izolate agregă formând structuri multicelulare. Acest organism pare să fie situat la limita dintre organismele unicelulare şi pluricelulare, şi a fost utilizat ca model pentru studiile de semnalizare celulară şi pentru înţelegerea interacţiunilor intercelulare.

Caenorhabditis elegans este un nematod utilizat ca model pentru studiul dezvoltării şi diferenţierii celulare; a permis înţelegerea mecanismului morţii celulare programate (apoptozei).

Drosophila melanogaster este, la fel ca şi Caenorhabditis elegans, un model pentru studiul dezvoltării embrionare.

Arabidopsis thaliana reprezintă principalul model pentru studiile de genetică moleculară la plante.

Xenopus laevis (amfibian), reprezintă un model important pentru investigarea stadiilor timpurii ale dezvoltării vertebratelor. Ouăle de Xenopus sunt celule mari şi toate stadiile de dezvoltare de la ou la mormoloc pot fi studiate în laborator.

Şoarecele de laborator (Mus musculus). Analizele genetice ce au utilizat ca model experimental şoarecele au permis identificarea a numeroase mutaţii ce afectează dezvoltarea organismului. În prezent se folosesc aşa-numiţii şoareci transgenici la care anumite gene specifice se introduc în interiorul liniei germinale, astfel încât efectul acestor gene asupra dezvoltării sau în legătură cu alte procese să poată fi studiat pe animalul “întreg”. S-a observat că mutaţii ale genelor omoloage la şoarece şi om determină defecte asemănătoare în dezvoltarea ambelor specii.

Mutaţiile genelor omoloage la şoarece şi om determină defecte asemănătoare în dezvoltarea ambelor specii (în imagine, pata albă este determinată de o mutaţiea genei kit ce controlează dezvoltarea celulelor pigmentare) .

Culturile de celule umane (normale şi tumorale) au permis înţelegerea mecanismelor ce guvernează diviziunea celulară, transformarea celulelor normale în celule canceroase, studiul efectelor unor agenţi terapeutici.

CONCLUZIECONCLUZIE

Evoluţia organismelor a determinat la nivel celular o diversitate şi o specializare celulară remarcabilă. Totuşi, termenul de “celulă” este folosit adesea fără a se specifica un anumit tip de celulă, deoarece în principiu organizarea structurală şi funcţională a celulelor este similară la toate tipurile de celule.

Celule tumorale umane în cultură (celule HeLa)