Celula

Celula este unitatea structurală și funcțională a tuturor organismelor vii. Botanistul Matthias Schleiden (1838) și zoologul Theodor Schwann (1839) au formulat teoria celulară, potrivit căreia toate plantele și animalele sunt alcătuite din celule, iar celula este unitatea de bază a vieții. În 1855, Rudolf Virchow a completat teoria cu ideea că orice celulă nouă provine dintr-o celulă preexistentă.

Structura generală a celulei

Orice celulă are trei componente fundamentale: membrana celulară (membrana plasmatică sau plasmalema), citoplasma și materialul genetic (ADN). Membrana celulară este alcătuită dintr-un dublu strat lipidic în care sunt încorporate proteine; după modelul mozaic fluid (Singer și Nicolson, 1972), proteinele se pot deplasa lateral în stratul lipidic. Membrana are permeabilitate selectivă: controlează schimburile de substanțe dintre celulă și mediu și menține astfel echilibrul intern al celulei.

Citoplasma este un mediu apos, coloidal, în care se găsesc organitele celulare și diverse incluziuni. Materialul genetic, sub formă de ADN, conține informația necesară pentru sinteza proteinelor și pentru transmiterea caracterelor ereditare.

Organitele celulare

Nucleul

Nucleul coordonează activitatea celulei eucariote. Este delimitat de un înveliș nuclear format din două membrane, străbătut de pori nucleari prin care se fac schimburile de substanțe dintre nucleu și citoplasmă. În interior se găsesc carioplasma (nucleoplasma), cromatina (care se condensează în cromozomi în timpul diviziunii celulare) și unul sau mai mulți nucleoli, în care se sintetizează ARN ribozomal.

Reticulul endoplasmatic

Reticulul endoplasmatic (RE) este un sistem de membrane interne care formează canale și cisterne. Există două tipuri: reticulul endoplasmatic rugos (RER), cu ribozomi atașați pe fața externă a membranelor, implicat în sinteza și transportul proteinelor, și reticulul endoplasmatic neted (REN), fără ribozomi, care participă la sinteza lipidelor și la detoxifierea celulei.

Aparatul Golgi

Aparatul Golgi este format din dictiozomi, adică grupuri de saci membranari aplatizați (cisterne), și din vezicule asociate. Funcțiile sale principale sunt: prelucrarea proteinelor sintetizate în RER, sortarea și ambalarea lor în vezicule de transport sau de secreție și formarea lizozomilor.

Mitocondriile

Mitocondriile sunt organite cu membrană dublă: membrana externă este netedă, iar cea internă formează pliuri numite criste mitocondriale. Ele sunt sediul respirației celulare aerobe și produc cea mai mare parte a ATP-ului necesar celulei. Mitocondriile au ADN și ribozomi proprii, ceea ce susține teoria endosimbiotică a originii lor.

Cloroplastele

Cloroplastele sunt plastide prezente în celulele vegetale și la alte organisme fotosintetizante (alge, euglene), în care are loc fotosinteza. Sunt delimitate de o membrană dublă și conțin un sistem de membrane interne, tilacoidele, grupate în grane. Tilacoidele conțin clorofilă și alți pigmenți fotosintetici și sunt sediul fazei de lumină, iar în stromă se desfășoară reacțiile fazei de întuneric. Celula vegetală mai poate avea cromoplaste (cu pigmenți carotenoizi, care colorează florile și fructele) și leucoplaste (incolore, care depozitează amidon).

Ribozomii

Ribozomii sunt organite fără membrană, alcătuite din ARN ribozomal și proteine. Ei realizează sinteza proteinelor (translația). Se găsesc liberi în citoplasmă sau atașați de membranele reticulului endoplasmatic rugos.

Lizozomii

Lizozomii sunt vezicule delimitate de o membrană simplă, care conțin enzime hidrolitice. Funcția lor principală este digestia intracelulară: degradarea macromoleculelor, a organitelor uzate (autofagie) și a particulelor preluate prin fagocitoză. Sunt caracteristici celulei animale.

Centrozomul

Centrozomul este alcătuit din doi centrioli așezați perpendicular unul pe celălalt. În celula animală organizează fusul de diviziune; la plantele superioare lipsește.

Vacuolele

Vacuolele sunt compartimente delimitate de o membrană numită tonoplast și umplute cu suc vacuolar. În celula vegetală matură, vacuola ocupă cea mai mare parte a volumului celulei și menține turgescența.

Celula procariotă versus celula eucariotă

Celula procariotă

Celulele procariote sunt caracteristice bacteriilor și arhebacteriilor. Principalele caracteristici sunt:

• Nu au nucleu delimitat de membrană; materialul genetic se află într-o regiune a citoplasmei numită nucleoid
• ADN-ul este circular și nu este asociat cu histone; pot exista și molecule mici de ADN circular, numite plasmide
• Nu au organite delimitate de membrane (lipsesc mitocondriile, reticulul endoplasmatic, aparatul Golgi)
• Au ribozomi 70S (mai mici decât cei ai eucariotelor)
• Au perete celular din peptidoglican (la bacterii)
• Au dimensiuni mici: 0,1–10 μm

Celula eucariotă

Celulele eucariote sunt caracteristice protistelor, fungilor, plantelor și animalelor. Principalele caracteristici sunt:

• Au nucleu delimitat de înveliș nuclear dublu
• ADN-ul este liniar, asociat cu histone și organizat în cromozomi
• Au organite delimitate de membrane (mitocondrii, RE, aparat Golgi, lizozomi)
• Au ribozomi 80S
• Au dimensiuni mai mari: 10–100 μm
• Celulele vegetale au în plus perete celular din celuloză, plastide (de exemplu cloroplaste) și o vacuolă mare

Diviziunea celulară

Ciclul celular și interfaza

Ciclul celular cuprinde interfaza și diviziunea propriu-zisă. Interfaza are trei perioade: G1 (creșterea celulei și sinteza de proteine), S (replicarea ADN, după care fiecare cromozom este format din două cromatide) și G2 (pregătirea diviziunii). Diviziunea poate fi directă (amitoza, prin simpla strangulare a nucleului și a citoplasmei, fără formarea cromozomilor) sau indirectă (mitoza și meioza).

Mitoza

Mitoza este diviziunea prin care o celulă-mamă formează două celule-fiice identice genetic, cu același număr de cromozomi ca ea (o celulă 2n formează două celule 2n). Mitoza asigură creșterea organismului, regenerarea țesuturilor și înmulțirea vegetativă.

Fazele mitozei sunt:

1. Profaza: cromatina se condensează în cromozomi vizibili, fiecare format din două cromatide surori unite prin centromer; învelișul nuclear se dezorganizează, nucleolii dispar și se formează fusul de diviziune
2. Metafaza: cromozomii se așază în placa ecuatorială (planul median al celulei), iar fibrele fusului de diviziune se prind de centromerele lor
3. Anafaza: centromerele se divid, iar cromatidele surori se separă și migrează spre polii opuși ai celulei, trase de fibrele fusului
4. Telofaza: cromozomii ajung la poli și se decondensează; învelișul nuclear se reface în jurul fiecărui set de cromozomi, iar nucleolii reapar

După telofază urmează citokineza, adică diviziunea citoplasmei. La celulele animale, citokineza se realizează prin strangulare, iar la celulele vegetale prin formarea unui perete median în planul ecuatorial.

Meioza

Meioza este diviziunea prin care o celulă diploidă (2n) formează patru celule haploide (n). La animale, prin meioză se formează gameții, iar la plante se formează sporii. Meioza asigură și variabilitatea genetică.

Meioza cuprinde două diviziuni succesive:

Meioza I (diviziunea reducțională):

• Profaza I: cromozomii omologi se împerechează și formează bivalenți (tetrade); are loc crossing-over-ul, adică schimbul de segmente între cromatidele nesurori ale cromozomilor omologi, care crește variabilitatea genetică
• Metafaza I: bivalenții se așază în placa ecuatorială, iar orientarea fiecărei perechi este întâmplătoare (segregarea independentă a cromozomilor omologi)
• Anafaza I: cromozomii omologi se separă și migrează spre polii opuși (cromatidele surori rămân unite)
• Telofaza I: se formează două celule haploide, fiecare cu n cromozomi, dar fiecare cromozom are încă două cromatide

Meioza II (asemănătoare mitozei):

• Se desfășoară în ambele celule rezultate din meioza I
• Cromatidele surori se separă, rezultând patru celule haploide, diferite genetic

Semnificația meiozei

Meioza are o importanță biologică deosebită:

• Reduce la jumătate numărul de cromozomi, astfel încât, după fecundație, numărul de cromozomi caracteristic speciei rămâne constant de la o generație la alta
• Asigură variabilitatea genetică prin crossing-over și prin segregarea independentă a cromozomilor omologi
• Stă la baza reproducerii sexuate, prin formarea gameților la animale și a sporilor la plante
• Erorile din meioză pot duce la aneuploidii (de exemplu, trisomia 21, care determină sindromul Down)

Comparație între mitoză și meioză

Structura și funcțiile celulei, împreună cu mecanismele diviziunii celulare, stau la baza tuturor celorlalte capitole de biologie și sunt o temă constantă a subiectelor de Bacalaureat.