Lal.lula: Descripció

 

1. Introducció

 

La cèl.lula és la unitat fonamental dels éssers vius, on la diferent morfologia és una conseqüència de les seves múltiples funcions. No obstant això, tenen unes estructures i uns processos comuns. Es tracta de la unitat d´activitat biològica, delimitada per una membrana semipermeable, que es pot reproduir.

Hi ha dos tipus de cèlules:

-Procariotes: Cèl.lules sense nucli diferenciat. Són les més antigues, però l´aparició dels eucariotes no va suposar la seva eliminació  per interaccions competitives. La TEORIA DE L´ENDOSIMBIOSI o DE LES COMUNITATS MICROBIANES COEVOLUCIONADES suposa que els mitocondris, els cloroplasts,  els flagells i els cilis són derivats simplificats de cèl.lules procariotes que es van introduir a les eucariotes.

-Eucariotes: Cèl.lules amb nucli ben diferenciat, que poden formar organismes pluricel.lulars. El nucli és separat del citoplasma per una envoltura (membrana), que engloba la cromatina i el nucleol.

 

2. La cèl.lula procariota

 

Són cèl.lules que no presenten un nucli clarament diferenciat. Es consideren els organismes vius més antics, i consten de les següents estructures:

-Paret  cel.lular: envolutura rígida constituïda per cadenes polisacàrides entrecreuades amb cadenes peptídiques curtes; la superfície exterior és recoberta amb lipopolisacàrids. El PILI són extensions de la paret cel.lular. La rigidesa de la paret cel.lular protegeix la cèl.lula contra l´augment de volum en medis hipotònics. I la seva porositat permet el pas de la majoria de molècules de petita mida.

 Paret cel.lular procariotaParet cel.lular procariota

 

-Membrana cel.lular: conté aproximadament un 45% de lípids i un 55% de proteïnes. Els plecs de la membrana s´anomenen MESOSOMES. Es     permeable per l´aigua, nudrients i ions metàl.lics. Conté els enzims necessaris en la conversió de l´energia dels nutrients a ATP.

 -Zona nuclear: El material genètic, RNA o DNA, és un únic cromosoma.

 -Ribosomes: Estructures consistents en dues subunitats, sintetitzats al nucleol. El RNA missatger s´uneix a la ranura entre les dues subunitats i especifica la seqüència dels aminoàcids.

 -Citosol:  Porció soluble del citoplasma, molt densa i viscosa, que conté els components cel.lulars.

 

3. La cèl.lula eucariota

 

Són cèl.lules amb un nucli clarament diferenciat. Es poden diferenciar les següents estructures:

-Membrana cel.lularConté sistemes de transport actiu d´ions sodi i potassi, glucosa, aminoàcids i altres nutrients.

-Nucli: Té un diàmentre d´uns 4 a 6 nm, i és rodejat per un embolcall nuclear. El DNA és combinat amb unes proteïnes anomenades HISTONES, i organitzat en cromosomes. L´embolcall és una membrana derivada del retícle endoplasmàtic rugós, amb abundants lisosomes a la part exterior i porus que permeten intercanvis de substàncies entre l´interior del nucli i el citoplasma. El medi intern del nucli s´anomena NUCLEOPLASMA o CARIOLIMFA, i la seva composició és diferent al citoplasma. Dins el nucli també trobem una estructura anomenada NUCLEOL, que és un corpuscle amb aparença esfèrica, que conté estructures fibril.lars consistents en un filament d´ADN amb enzims incorporats; la funció del nucleol és la transcripció.  Finalment, el component més important de la regió nuclear és la CROMATINA (o els CROMOSOMES, segons l´estadi de la divisió     cel.lular), que consititueix la informació genètica en forma d´ADN.

 -Mitocondris:  Orgànuls globulars, d´un micròmetre de diàmetre, aproximadament. Consisteixen en una membrana bicapa lipídica semipermeable que separa el medi intern del citoplasma, que són de diferent composició química. El medi intern, anomenat MATRIU, és molt rica en enzims, ja que els mitocondris són els llocs on els glúcids, els aminoàcids i els lípids s´oxiden a diòxid de carboni i aigua, en presència d´oxigen (RESPIRACIO CEL.LULAR). Els enzims del transport electrònic i de la conversió d´energia són situats a la membrana interna d´aquests orgànuls.     El conjunt de mitocondris de la cèl.lula s´anomena CONDRIOMA.

Els mitocondris es troben localitzats a prop de totes aquelles estructures que requereixen ATP i de les fonts combustibles que contenen substàncies a oxidar. Presenten dues membranes: l´externa, llisa i elàstica, i la interna, que presenta moltes invaginacions anomenades     CRESTES MITOCONDRIALS; el nombre de crestes es relaciona amb la intensitat de l´activitat respiratòria. El seu interior, la matriu mitocondrial,     és una fase gelatinosa que conté un 50% de proteïna, ribosomes  i ADN propi, i és on té lloc la descarboxilació oxidativa i el cicle de Krebs. La membrana interna posseeix enzims (citocroms, ATPasa  i deshidrogenases).

 

 

-Aparell  de Golgi: Vesícules aplanades, amb una membrana simple, que presenta una forma apilada. Algunes vesícules es converteixen en VAQUOLES,  que contenen productes d´excreció. Actua en la secreció de productes cel.lulars cap a l´exterior (excreció, proteïnes, etc.), i participa a formar membranes. Aquest conjunt de vesícules aplanades són cisternes (anomenades DICTIOSOMES) amb diferents continguts, es troben comunicades i són originades a partir de la membrana nuclear, essent per tant en contínua renovació. En termes generals, la seva funció es pot descriure com: en primer lloc, emmagatzemament i transport  de biomolècules; en segon lloc, síntesi de glucoproteïnes, glúcids i altres molècules, com l´àcid hialurònic (aglutinant de les cèl.lules animals).

 

 

-Reticle endoplasmàtic: Vesícules aplanades similars a les de l´aparell de Golgi. Existeixen dos tipus: El reticle endoplasmàtic rugós, que conté ribosomes adherits a la part exterior de la membrana, que sintetitzen proteïnes que travessen la membrana fins l´interior de la cisterna, on són modificades -per exemple, la insulina-. I el reticle endoplasmàtic llis, que intervé en la síntesi de fosfolípids, àcids grassos i carbohidrats, i en el transport de biomolècules. En els hepatocits, el reticle endoplasmàtic llis destoxifica drogues i verins.

-Ribosomes: orgànuls esfèrics, formats per ARNr i proteïnes, i són originats als nucleols. Es troben al reticle endoplasmàtic rugós, dispersos al citoplasma i a l´interior dels mitocondris i cloroplasts.

-Centrosoma: orgànul situat prop del nucli i format per dos CENTRIOLS, els quals consisteixen en nou triplets de microtúbuls de tubulina, i participen a la mitosi.

-Lisosomes: vesícules de membrana unitària, que porta un tapís interior format per glucoproteïnes, que li atorga una gran resistència. Contenen enzims hidrolítics (hidrolases), que actuen en la digestió de materials introduïts per fagocitosi o pinocitosi, i digereixen els components cel.lulars després de la mort cel.lular o quan es necesita una renovació de components. La seva funció és, per tant, digestiva.

-Peroxisomes: Vesícules de membrana unitària que contenen enzims d´oxidació, com la catalasa. En els hepatocits, destoxifiquen l´etanol.

-Vaquoles: Vesícules de petit tamany que emmagatzemen substàncies. El conjunt de vaquoles de la cèl.lula s´anomena VAQUOMA. Es formen a partir de fragments del reticle endoplasmàtic rugós (per transportar substàncies fins l´aparell de Golgi), fragments de l´aparell de Golgi (per transportar substàncies fins l´exterior de la cèl.lula) o per invaginacions de la membrana plasmàtica (fagocitosi). La seva funció és, per tant, transportadora.

-Citoplasma: Medi intracel.lular que consta del citoesquelet i del citosòl. El CITOESQUELET  és un sistema de fibres que ocupa tot el volum cel.lular, quina funció és la d´atorgar viscositat a la cèl.lula, fixar els seus components i participar en la formació del FUS ACROMATIC; existeixen diferents tipus de fibres: els microtúbuls són els més grans i són formats per tubulina; els filaments intermedis presenten una llargària intermitja i són formades per miosina; finalment, els microfilaments  són els de menor mida, i són formats per actina. El CITOSOL o HIALOPLASMA és el medi aquós que existeix entre la membrana cel.lular i el nucli; conté monòmers, proteïnes, enzims, àcids nucleics, ATP, ADP, sals minerals i ions; la seva composició es manté constant i a pH=7.4 degut al transport que es produeix a través de la membrana cel.lular. Al citoplasma tenen lloc els processos metabòlics: glucòlisi, fermentació làctica, ...

-Vesícules:  Les proteïnes de membrana no poden transportar compostos químics d´elevada massa molecular. En general, el procés d´intercanvi   amb el medi extern de molècules grans (o polímers, ...) s´efectua mitjançant l´ENDOCITOSI -entrada de nutrients per invaginació de la membrana plasmàtica- i l´EXOCITOSI -fusió d´una  vesícula a la membrana, excretant així el contingut-.

 EucariotaEucariota

 

 

A més, la cèl.lula  vegetal presenta:

-Paret cel.lular: és gruixuda i rígida, degut a què és constituïda per fibres de cel.lulosa unides per un ciment de polisacàrids i proteïnes. La funcionalitat de la paret cel.lular es resumeix en: protección a la ruptura mecànica i osmòtica, fixació de la posición de la cèl.lula, conservació de la forma cel.lular i aportar rigidesa al teixit cel.lular.

-Cloroplast: un PLASTIDI és un orgànul rodejat per membrana, característic de les plantes superiors, alguns dels quals presenten ADN propi. Els que contenen  el pigment clorofil.la, s´anomenen CLOROPASTS. Són de major mida que els mitocondris. Són receptors de l´energia lluminosa, la qual és convertida a energia química (ATP) per la biosíntesi de biomolècules, a partir de diòxid de carboni, aigua i altres precursors. Durant el procés, es genera oxigen.

  

4. La membrana plasmàtica: el model del mosaic fluid

 

La membrana plasmática és una estructura composta per una bicapa de fosfolípids, on les "cues" hidrocarbonades, que són hidrofòbiques, es troben allotjades a l´interior de la bicapa, enfrontades,, i els "caps" iònics, i per tant hidrofílics, se situen a l´exterior de la bicapa, en contacte amb els medis aquosos (el medi extracel.lular i el citoplasma).

A les cèl.lules animals, es troben integrades diferents molècules i estructures a la membrana: colesterol, proteïnes, sistemes de bombeig,... Les molècules de colesterol es troben entre les "cues" dels fosfolípids, ja que també és hidròfoba. Les proteïnes insertades a la membrana s´anomenen PROTEINES INTEGRALS; d´altres es troben només a la capa més interior, la citoplasmàtica: són les PROTEINES PERIFÈRIQUES DE MEMBRANA, i poden estar enllaçades amb les proteïnes integrals. A la capa exterior trobem glucolípids, que constitueixen el SISTEMA D´ADHESIÓ INTERCEL.LULAR i el SISTEMA DE RECONEIXEMENT MOLECULAR.

A l´exterior de la membrana, alguns glícids s´enllacen a les proteïnes integrals, formant glucoproteïnes. Els polisacàrids que formen part de les glucoproteïnes i dels glucolípids formen una tasca de reconeixement de molècules, com hormones, anticossos i viurs, que interaccionen amb la cèl.lula.

Aquesta estructura de bicapa és fluïda: algunes proteïnes poden desplaçar-se lateralment. Aquest model és anomenat MOSAIC FLUID.

Als procariotes i alguns protistes, els fongs i les plantes no trobem colesterol.

Algunes proteïnes de membrana són enzims, altres són receptors, reguladors, proteïnes transportadores, reguladores de l´intercanvi d´ions entre els medis intra i extracel.lular, etc.

 

5.Transport a través de la membrana  

 

L´intercanvi de molècules o ions es regulen a través de la membrana, per tal de mantenir les condicions químiques intracel.lulars, que afecten l´activitat metabòlica. Això també succeeix amb les membranes dels mitocondris i el nucli, permetent que hi hagi compartiments dins la cèl.lula     amb diferents ambients químics.

Aquesta capacitat de controlar els diferents ambients químics no depèn únicament de les propietats físico-químiques de la membrana, sinó     també de les propietats físico-químiques de les substàncies que hi interaccionen.

 

5.1. Gradient

A l´interior de les cèl.lules es produeix el metabolisme i la síntesi de molècules. Per tant, és necessari un sistema d´intercanvi de substàncies químiques entre els medis intra i extracel.lular. Aquest transport és influenciat per dos factors físico-químics:

-Gradient de concentració: diferència de concentració d´una substància entre dues dissolucions.

-Gradient elèctric: diferència de potencial elèctric entre les dues cares de la membrana, que intervé en el transport d´ions.

Les cèl.lules vegetals són hipertòniques respecte el medi que les rodeja i, per tant, l´aigua tendeix a difondre cap a l´interior. L´augment de     pressió intracel.lular es veu frenada per la paret cel.lular, que és molt rígida. La pressió interna sobre la paret cel.lular s´anomena TURGÈNCIA.

 

5.2. Tipus de transport

Tipus de transport a través de la membrana:

5.2.1. Transport passiuSense consum energètic:

5.2.1.1. Difusió simple: Transport passiu en què una molècula neutra de petit tamany es difòn en la bicapa lipídica, la travessa i passa a l´altra cara de la membrana. Una substància es mou a favor de gradient quan les molècules es mouen des d´una regió més concentrada fins una de menys concentrada. Com més acusat sigui aquest gradient, major velocitat portaran les molècules.

El diòxid de carboni format durant la respiració cel.lular es difon cap a l´exterior, degut a què la concentració al citoplasma és molt major que     forma de la cèl.lula. De manera similar, l´oxigen es difon cap a l´interior de la cèl.lula, ja que la concentració al citoplasma és molt menor que al medi extracel.lular.

L´osmosi és un cas particular de difusió, consistent en el pas de l´aigua des d´una dissolució hipertònica cap a una dissolució hipotònica.

5.2.1.2. Difusió facilitada: Les molècules grans i els ions travessen la membrana cel.lular gràcies a l´acció de proteïnes de membrana perifèriques (PERMEASES), que actuen com a transportadors.

 5.2.2. Transport actiuAmb consum energètic. Utilitza l´energia metabòlica per transportar, a través de la membrana, molècules i ions d´elevada massa molecular i en contra dels gradients de concentració i elèctric. Un exemple és la BOMBA DE SODI, mecanisme de transport actiu catalitzat per l´enzim Sodi-potassi-ATPasa, encarregat de bombejar sodi cap l´exterior i potassi cap l´interior.

La concentració de sodi exterior arriba a ser 14 vegades la interior, i la concentració de potassi interior és de 10 a 30 vegades l´exterior. Aquests gradients tan acusats serveixen per mantenir la pressió osmòtica i poder controlar el volum cel.lular. La bomba de sodi-potassi és una proteïna que, en funció de la seva configuració, transporta Na o K.

Les proteïnes de transport contenen canals hidrofílics dins l´estructura terciària, que canvia de configuració per tal d´empènyer el compost químic cap a l´altre costat de la membrana. Aquest canvi de configuració pot tenir lloc per enllaç directe amb la substància que es transporta, o pot necessitar la interacció d´un receptor.

Els SISTEMES ACOBLATS impliquen que el transport d´una espècie química depèn del transport simultani o seqüencial d´una altre compost químic, en el mateix sentit o en sentits contraris.

 

6. Per què les cèl.lules necessiten ATP  

 

L´ATP és la moneda de canvi dels organismes: el trencament del grup fosfat, generant ADP, produeix  una gran quantitat d´energia, que és aprofitada pel TREBALL CEL.LULAR, classificat en:

-TREBALL CINETIC. Els gradients de concentració són un paper clau en l´intercanvi de matèria amb el medi extracel.lular; sovint aquest intercanvi té lloc a contragradient i requereix, per tant, un aportament d´energia. Addicionalment, la divisió cel.lular requereix moltíssima energia, ja que tota la maquinària de la cèl.lula treballa en la duplicació del material genètic i en la generació del material necessari.

-TREBALL QUIMIC. Les cèl.lules presenten una activitat biosintètica que permet el seu creixement i la regeneració de fragments, com la membrana cel.lular; aquesta activitat de síntesi requereix gran quantitat d´energia. A més, la secreció és un procés que involucra la generació d´un fragment de bicapa lipídica que englobi el material que ha de ser exportat, i el moviment d´aquesta "bombolla" a través del citoplasma, fins l´expulsió del contingut, procés que requereix energia.

-TREBALL TERMIC. La cèl.lula necessita mantenir una temperatura constant: les biomolècules són molt sensibles a la temperatura. Per exemple, les proteïnes es desnaturalitzen a partir d'una temperatura crítica; la fluidesa de la membrana varia en funció de la temperatura i, per tant, el transport a través d´aquesta es veu afectat.