Structura celulei (partea de III-a): celula eucariotă

Spre deosebire de celula procariotă, despre care am vorbit în partea de a II-a  a acestui articol, celula eucariotă prezintă: (1) un nucleu de sine stătător; (2) numeroase organite, cum sunt aparatul Golgi, reticulul endoplasmatic, cloroplaste, mitocondrii etc.; (3) cromozomi în formă de bastonașe. Deoarece nucleul unei celule eucariote este înconjurat de o membrană, aceasta are un „nucleu adevărat”. Organitele îndeplinesc funcții celulare specifice, la fel cum organele corpului îndeplinesc funcții specifice.

Așadar, este evident faptul că celulele eucariote prezintă o structură mai complexă decât celulele procariote. Organitele permit compartimentarea diferitelor funcții în diferite zone ale celulei.

Figura 1 – Aceste două diagrame arată principalele organite și alte structuri ale celulei animale (imaginea de sus) și ale celulei vegetale (imaginea de jos). Celula vegetală prezintă un perete celular, cloroplaste, plastide și vacuolă centrală – structuri care nu există în celula animală. Majoritatea celulelor nu au lizozomi sau centrozomi.

Membrana celulară

La fel ca procariotele, celulele eucariote prezintă o membrană celulară (membrană plasmatică) (Figura 2), un strat dublu fosfolipidic cu proteine încorporate, care separă conținutul celulei de mediul exterior. O fosfolipidă este o moleculă lipidică prevăzută cu două lanțuri de acizi grași și o grupare fosfat. Membrana celulară controlează circulația moleculelor organice, ionilor, apei și oxigenului în și din celulă. Reziduurile, cum sunt dioxidul de carbon și amoniac, părăsesc celula, de asemenea, trecând prin membrana plasmatică.

Figura 2 – Membrana celulei eucariote este un dublu strat fosfolipidic, care are încorporate proteine și colesterol.

Membranele plasmatice ale celulelor specializate în absorbție se pliază sub formă de microvili, proeminențe care le măresc suprafața de difuzie și minimizează creșterea volumului. Astfel de celule se întâlnesc în intestin, organul care absoarbe nutrimentele rezultate în urma digestiei. Persoanele cu boală celiacă prezintă o reacție imunitară față de gluten – o proteină din grâu, orz și secară. Răspunsul imunitar afectează microvilii, motiv pentru care pacienții nu pot absorbi nutrimentele. Aceasta duce la malnutriție, crampe și diaree. Persoanele cu boală celiacă trebuie să urmeze o dietă lipsită de gluten.

Citoplasma

Citoplasma reprezintă întreaga regiune dintre membrana celulară și anvelopa nucleară. Ea este compusă din organite suspendate într-un fluid cu aspect de gel denumit citosol, citoschelet și diferite substanțe chimice. Deși citoplasma conține 70-80% apă, ea are o consistență semisolidă datorată proteinelor din componență.

Proteinele nu sunt singurele molecule organice din citoplasmă. Aici mai întâlnim glucoză și alte zaharuri simple, polizaharide, acizi nucleici, aminoacizi, aici grași și derivați ai glicerolului, precum și ioni de sodiu, potasiu, calciu și alte elemente. La nivelul citoplasmei au loc numeroase reacții metabolice, printre care sinteza proteinelor.

Nucleul

În mod obișnuit, nucleul este cel mai proeminent organit al celulei. Nucleul găzduiește ADN-ul celulei și direcționează sinteza ribozomilor și a proteinelor (Figura 3).

Figura 3 – Nucleul conține cromatina (ADN + proteine) într-un fluid cu aspect de gel denumit nucleoplasmă. Nucleolul este o regiune densă de cromatină unde are loc sinteza ribozomilor. Nucleul este delimitat de un dublu strat lipidic numit anvelopă nucleară: o membrană interioară și un exterioară. Membrana nucleară se continuă cu reticulul endoplasmatic. Porii nucleari permit intrarea și ieșirea substanțelor.

Anvelopa nucleară

Anvelopa nucleară este o structură formată din două membrane – membrana interioară și membrana exterioară -, ambele alcătuite dintr-un strat dublu fosfolipidic. Anvelopa nucleară conține pori care controlează circulația ionilor, moleculelor și ARN-ului între nucleoplasmă și citoplasmă. Nucleoplasma este fluidul cu consistență semisolidă din interiorul nucleului, unde se găsesc cromatina și nucleolul.

Cromatina și cromozomii

Pentru a înțelege cromatina, este necesar să vorbim mai întâi despre cromozomi, structuri din nucleu alcătuite din ADN. Spre deosebire de procariote, la care ADN-ul este organizat sub forma unui singur cromozom inelar, la eucariote cromozomii sunt structuri liniare.

Fiecare specie are un număr specific de cromozomi în nucleul fiecărei celule. De exemplu, oamenii au 46 de cromozomi, în timp ce musculițele de oțet au dor opt cromozomi.

Cromozomii sunt vizibili și distincți unul de celălalt doar atunci când celule se pregătește de diviziune. Atunci când celula se află în fazele de creștere și de repaus, proteinele se atașează de cromozomi și formează structuri cu aspectul unui ghem de ață desfășurat denumite cromatină (Figura 4).

Figura 4 – (a) Diferitele niveluri de organizare a cromatinei (ADN + proteine). (b) Perechi de cromozomi.

Nucleolul

După cum am menționat mai sus, nucleul direcționează sinteza ribozomilor. Unii cromozomi prezintă secțiuni de ADN care codifică ARN ribozomal. O zonă întunecată la culoare din nucleu, denumită nucleol, agregă ARN-ul ribozomal cu proteinele asociate pentru a asambla subunitățile ribozomale, care apoi sunt transportate prin porii nucleari în citoplasmă.

Ribozomii

Ribozomii sunt organice celulare responsabile pentru sinteza proteinelor. Atunci când sunt observați la microscopul electronic, ribozomii apar fie sub formă de aglomerări (poliribozomi), fie solitari, puncte minuscule care plutesc liber prin citoplasmă. Ei se pot atașa de partea citoplasmatică a membranei celulare sau a reticulului endoplasmatic și de membrana exterioară a anvelopei nucleare.

Microscopul electronic arată că ribozomii, care sunt complexe mari de proteine și ARN, sunt alcătuiți din două subunități: o subunitate mare și o subunitate mică (Figura 5).

Figura 5 – Ribozomul este format dintr-o subunitate mare (cu roșu) și o subunitate mică. În timpul sintezei proteinelor, ribozomii asamblează aminoacizii în proteine.

Ribozomii primesc „comanda” de inițiere a sintezei proteinelor de la nucleu, unde ADN-ul este transcris în ARN mesager (ARNm). ARNm călătorește până la ribozomi, unde are loc translația secvenței genetice a acestora în aranjarea ordonată a aminoacizilor dintr-o proteină. Așadar, aminoacizii sunt „cărămizile” proteinelor.

Deoarece sinteza proteinelor este o funcție esențială a tuturor celulelor (proteinele pot fi enzime, hormoni, pigmenți, anticorpi, componente structurale sau receptori membranari), ribozomii există în orice celulă. Ribozomii sunt numeroși mai ales în celulele care sintetizează cantități mari de proteine. De exemplu, pancreasul este responsabil pentru sinteza câtorva enzime digestive, iar celulele care sintetizează aceste enzime conțin mulți ribozomi.

Mitocondriile

Oamenii de știință numes adesea ribozomii drep „uzinele energetice” ale celulelor vegetale și animale, deoarece ele sunt responsabile de sinteza adenozin trifosfatului (ATP), principala moleculă energetică a celulei. Respirația celulară este procesul de sinteză a ATP-ului utilizând energia chimică din glucoză și alte nutrimente. În mitocondrii, acest proces utilizează oxigen și produce dioxid de carbon drept reziduu.

Celulele musculare prezintă o cantitate foarte mare de mitocondrii producătoare de ATP, deoarece ele au nevoie de o cantitate consistentă de energie pentru a ține corpul în mișcare. Atunci când celulele nu primesc suficient oxigen, ele nu produc mult ATP, ci acid lactic.

Mitocondriile au o formă ovală, o membrană dublă și prezintă proprii ribozomi și ADN. Fiecare membrană este un dublu strat lipidic cu proteine încorporate. Membrana interioară formează pliuri denumite cristae. Zona mitocondrială înconjurată de pliuri se numește matrice mitocondrială.

Figura 6 – O mitocondrie văzută la microscopul electronic.

Peroxizomii

Peroxizomii sunt organite mici și sferice, înconjurate de o singură membrană. La nivelul lor au loc reacțiile oxidative care degradează acizii grași și aminoacizii. De asemenea, ei detoxifică diferite otrăvuri care pătrund în corp. De exemplu, peroxizomii din celulele ficatului detoxifică alcoolul. Multe dintre aceste reacții de oxidare eliberează peroxid de hidrogen (H₂O₂), care poate afecta celulele; totuși, atunci când aceste reacții sunt limitate la nivelul peroxizomilor, enzimele descompun în siguranță peroxidul de hidrogen în oxigen și apă.

Glioxizomii, care sunt peroxizomi specializați din celulele plantelor, sunt responsabili de convertirea lipidelor stocate în zaharuri. Celulele vegetale conțin mai multe tipuri de peroxizomi cu rol în metabolism, apărarea împotriva agenților patogeni și răspunsul la stres.

Veziculele și vacuolele

Veziculele și vacuolele sunt saci legați de membrană, cu rol în depozitare și transport. În afară de faptul că vacuolele sunt ceva mai mari decât veziculele, distincția dintre cele două este foarte subtilă.

Membranele veziculelor pot fuziona fie cu membrana plasmatică, fie cu alte sisteme de membrane din interiorul celulei. În plus, unele enzime din vacuolele plantelor degradează macromoleculelor. Membrana vacuolei nu fuzionează cu membranele altor componente celulare.

Celula animală vs. celula vegetală

După cum am văzut, fiecare celulă eucariotă are o membrană celulară, citoplasmă, un nucleu, ribozomi, mitocondrii, peroxizomi și, în unele cazuri, vacuole. Însă există câteva diferențe evidente între celulele animale și vegetale. În timp ce ambele tipuri de celule prezintă centre de organizare a microtubulilor, celulele animale au și centrioli asociați cu acestea – un complex care se numește centrozom.

Celulele animale prezintă un centrozom și lizozomi, în timp ce celulele plantelor au au aceste structuri. Celulele vegetale prezintă un perete celular, cloroplaste și alte plastide specializate și o vacuolă centrală mare.

Centrozomul

Centrozomul este un centru de organizare a microtubulilor localizat lângă nucleul celulei animale. El conține o pereche de centrioli – două structuri așezate perpendicular una pe cealaltă. Fiecare centriol este un cilindru format din nouă triplete de microtubuli (Figura 7).

Figura 7 – Centrozomul constă din doi centrioli așezați perpendicular unul peste celălalt. Fiecare centriol este un cilindru alcătuit din nouă triplete de microtubuli. Proteinele cu verde țin tripletele împreună.

Centrozomul (organitul unde își au originea toți microtubulii) se replică înainte de diviziunea celulei, iar centriolii par a avea un rol în tragerea cromozomilor duplicați către capetele opuse ale celulei. Cu toate acestea, rolul exact al centriolului în diviziune nu este clar, deoarece celulele al căror centrozom a fost înlăturat se pot diviza, iar celulele plantelor cu prezintă centrozomi și sunt capabile de diviziune.

Lizozomii

Celulele animale prezintă un alt set de organite care lipsesc la majoritatea celulelor de plante: lizozomii. Lizozomii sunt „centrele de eliminare a deșeurilor” ale celulelor. În celula vegetală, procesele de digestie au loc la nivelul vacuolei. Enzimele din lizozomi ajută la descompunerea proteinelor, polizaharidelor, lipidelor, acizilor nucleici și chiar a organitelor uzate. Aceste enzime sunt active la un pH mult mai mic (mai acid) decât cel al citoplasmei.

Peretele celular

Peretele celular este o structură care protejează celula vegetală, îi oferă suport structural și formă. Unele celule de ciuperci și protiste prezintă și ele pereți celulari. În timp ce peptidoglicanii sunt principalele componente ale pereților celulari de la procariote, în cazul celulelor de plante (și la unele protiste), principala componentă este celuloza (Figura 8), o polizaharidă formată din unități de glucoză.

Figura 8 – Celuloza este un lanț lung de molecule de β-glucoză unite printr-o legătură 1-4.

Cloroplastele

La fel ca mitocondriile, cloroplastele au propriul lor ADN și ribozomi, însă funcția lor este total diferită. Cloroplastele sunt organitele din celulele plantelor unde are loc fotosinteza. Fotosinteza reprezintă o serie de reacții care utilizează dioxidul de carbon, apa și energia luminoasă pentru a sintetiza glucoză și oxigen. Aceasta constituie o diferență majoră între plante și animale. Plantele (organisme autotrofe) sunt capabile să-și producă singure hrana, cum sunt zaharurile utilizate în respirația celulară pentru producerea ATP-ului. Animalele (organisme heterotrofe) trebuie să-și ingereze hrana.

Cloroplastele prezintă o membrană exterioară și o membrană interioară, iar în spațiul închid de membrana interioară se află un set de saci membranari interconectați și stivuiți, umpluți cu un lichid, care se numesc tilacoide (Figura 9). Fiecare stivă de tilacoide formează o grana, iar fluidul din jurul grana se numește stroma.

Figura 9 – Structura cloroplastului.

Cloroplastele conțin un pigment verde, denumit clorofilă, care captează energia luminoasă necesară fotosintezei. Unele protiste fotosintetizante prezintă și ele cloroplaste. Unele bacterii realizează fotosinteză, însă clorofila lor nu se află într-un organit.

Vacuola centrală

Vacuolele sunt componente esențiale ale celulelor plantelor. Celulele vegetale prezintă o vacuolă centrală mare, care ocupă cea mai mare a spațiului intracelular. Vacuola centrală joacă în rol esențial în reglarea concentrației de apă a celulei și în susținerea peretelui celular. Ofilirea unei plante se datorează faptului că, pe măsură ce concentrația de apă din sol se micșorează și devine mai mică decât concentrația de apă din plantă, apa iese din vacuola centrală și din citoplasmă. Pe măsură ce vacuola centrală se  micșorează, peretele celular își pierde susținerea, ceea ce duce la ofilire.

Vacuola centrală susține și expansiunea celulei. Atunci când vacuola centrală acumulează mai multă apă, celula vegetală devine mai mare fără a vi nevoită să învestească energie considerabilă în sintetizarea noii citoplasme.