Morfologia microscopica normala la animalelor domestice

Introducere

Lucrarea " Morfologia microscopica normala la animalelor domestice"(cu elemente de embriologie) este destinata in principal studentilor in medicina veterinara, dar este utila si altor specialisti care lucreaza pe animalele domestice, precum medici veterinari, ingineri zootehnisti, biotehnologi si biologi.

Preluand datele de microscopie optica, microscopie electronica, embriologie si imbinandu-le cu rezultatele stiintifice obtinute in activitatea, de peste treizeci de ani din domeniul morfologiei normale a autorului, s-a elaborat o lucrare unitara, logic structurata si ancorata in realitatile clinicii si practicii veterinare. Lucrarea prezinta nivelul molecular, celular, tisular si sistemic de organizare a organismului animal, impreuna cu notiunile de embriologie aferente.

Se urmareste, astfel, ca instruirea actualilor studenti, viitori medici vetrinari sa se realizeze metodic, de la simplu la complex, incat insusirea cunostiintelor sa se faca temeinic,rezultand o baza solida de cunostiinte fundamentale, cu implicatii practice, care sa permita intelegerea,, perfectionarea continua si imbunatatirea eficacitatii activitatilor veterinare.

Adresandu-se, in primul rand, studentilor din anul I, lucrarea a fost conceputa tinandu-se cont de programa programa analitica a disciplinei de Biologie celulara, histologie si embriologie de la Facultatea de medicina veterinara din Bucuresti, unde autorul este profesor titular.

Astfel, "Citologia " studiaza ultrastructura si functiile celulelor, permitand cunoasterea substratului celular al fenomelor biologice. 'Histologia' studiaza organizarea microscopica a tesuturilor si organelor ce alcatuiesc organismul animal, iar 'Embriologia' se ocupa cu studiul dezvoltarii ontogenetice, din momentul producerii gametilor, al aparitiei oului (sau zigotului) si pana la formarea intregului organism animal.

Intreaga lucrare va cuprinde doua volume:

Volumul I - Citologia si embriologia generala   

Volumul II - Histologia tesuturilor si organelor, embriologia speciala

Organismul animalelor domestice contine o serie de substante anorganice (apa, elemente si saruri minerale, etc.) si organice (proteine,glucide,lipide, enzime, acizi nucleici, etc.), care nu formeaza solutii la intamplare, ci sunt organizate cu mare precizie, intracelular sau extracelular, sub forma unor structuri si ultrastructuri, care indeplinesc diverse functii.La randul lor, celulele sunt grupate, morfologic si functional in structuri organizate, tesuturi sau organe, rezultand organismul, ca un tot unitar.

Celulele care intra in alcatuirea unui organ realizeaza o structura precisa, asemanatoare la specii diferite, fenomen cunoscut sub denumirea de homeostazie structurala. Pentru realizarea unei structuri coopereaza un mare numar de celule de tipuri diferite, care comunica intre ele, isi controleaza forma, marimea, pozitia, orientarea in spatiu si activitatea in asa fel, incat fiecare celula si structura in ansamblul sau sa functioneze optim, obtinindu-se efecte maxime cu minimum de cheltuieli materiale si energetice.

In cunoasterea stiintifica medicala, functiile pot fi explicate numai dupa intelegerea structurilor ce constituie substratul lor, mergandu-se pana la nivelul molecular. A intelege o structura, un ansamblu de fapte observabile optic sau electronomicroscopic inseamna sa descoperi conexiunile dintre elementele componente si sa integrezi aceste conexiuni in gandirea proprie (Diculescu - 1987).

In orientarea generala a continutului lucrarii s-a tinut cont atat de faptul ca morfologia microscopica se preda in anul I, cat si de corelatiile sale cu celelalte discipline fundamentale sau clinice, implicate in asigurarea bazei de date cu care va opera actualul student, viitorul medic veterinar in activitatea sa practica si stiintifica.

Intrucat domeniul abordat cunoaste o gigantica explozie informationala, a trebuit sa selectam din noianul de informatii numai pe acelea care prezinta o importanta deosebita pentru latura formativa,, educativa si stiintifica a invatamantului medical veterinar. Acest fapt limiteaza, de la inceput orice pretentii asupra cartacterului exhaustiv al lucrarii si al indicatiilor bibliografice.

Ilustrarea materialului teoretic este realizata prin scheme executate de autor, preluate si modificate din lucrarile de specialitate.

Multumesc tuturor celor care mi-au adresat sugestii si idei ce au dus la imbunatatirea acestui material didactic, pe care il doresc a fi cat mai util studentiilor.

1.1 Repere istorice in evolutia cunostiintelor despre celule si tesuturi

Descoperirea celulei a fost posibila dupa inventarea microscopului in anul 1590 de catre doi frati olandezi HANS si ZACHARIAS JENSSEN. In anul 1665, ROBERT HOOKE, fizician englez a observat cu ajutorul microscopului, intr-o bucata subtire de pluta, o serie de cavitati mici pe care le-a denumit celule ( de la latinescul cella = camaruta). Mai tarziu (1674), Antoine. van LEEUWENHOEK descopera mai multe tipuri de celule libere (protiste, globulele rosii) , iar HAM LUDWIG (1677) a descoperit spermatozoizii. Tot in secolul al XVII-lea, MARCELLO MALPIGHI (1628-1694) a descris pentru prima data capilarele sanguine in peritoneul de broasca si le-a denumit astfel dupa latinescul 'capillus', care inseamna fir de par. Totodata, Malpighi a mai descoperit glomerulii renali, stratul intermediar al epidermului, dar nu si-a dat sema ca celula este unitatea de baza a lumii vii. Olandezul Regnier de GRAAF (1641-1673) a descoperit foliculii ovarieni.

La sfarsitul secolului al XVIII-lea, FRANCOIS MARIE XAVIER BICHAT (1771-1802) a descris si a introdus notiunea de tesut, individualizand 21 tipuri de tesuturi si descriind in mod magistral tesutul osos, cartilaginos si muscular.Pentru descoperirile sale este considerat parintele histologiei.

Un moment crucial in dezvoltarea cunostiintelor despre celule l-a avut cristalizarea teoriei celulare pe baza cercetatilor si generalizarilor efectuate de botanistul MATHIAS JACOB SCHLEIDEN (1804-1880) si de zoologul THEODOR SCHWANN (1810-1882). Ei au aratat ca celula nu este goala, ci contine un 'utricul azotat', cu caracter reticular, ce se formeaza din citoblastem.

Teoria celulara, elaborata de ei, sustinea ca: 1- corpul tuturor plantelor si animalelor este format din celule; 2- celulele au o viata proprie, caracteristica fiecarei celule; 3- viata individuala a celulelor este influentata de viata in ansamblu a organismului.

Mai tarziu, RUDOLPH VIRCHOW (1821-1902) a completat si imbunatatit teoria celulara, sustinand ca: 1) 'Omnis cellula e cellula' -toate celulele provin din celule preexistente, negand in acest fel generatia spontana din citoblastem; 2) 'Omnis vivum ex ovo' - tot ce este viu provine din diviziunea si cresterea unui ou fecundat, rezultat din contopirea a doua celule diferite, ovulul si spermatozoidul; 3) In afara celulelor nu exista viata, iar organismul este o confederatie de celule.

Microscopul optic modern a aparut in a doua jumatate a secolului a XIX-lea ca urmare a contributiei unor fizicieni, printre care se disting doi germani, mecanicul KARL ZEISS (1816-1888) si profesorul ERNEST ABBE

Primul microscop electronic a fost pus la punct de germanii G.A. KAUSCHE si H. RUSKA in 1939, cand au reusit sa observe si sa fotografieze un virus. In paralel cu perfectionarea microscopului optic,s-au pus la punct tehnicile de colorare si impregnare cu substante de contrast a componentelor celulare, in acest domeniu remarcandu-se germanii G.H. HOFMANN, R. HEIDENHEIM, C.WEIGERT, R. FEULGEN, A. PAPPEMHEIM, P.EHRLICH, G.MANN, danezii M.G. GRAM, italianul C. GOLGI, spaniolul RAMON Y.CAJAL, romanii V.BABES, G.LEVADITI, D.VOINOV si altii.

In secolul XX, histochimia si histoenzimologia moderna au fost fondate si ilustrate de personalitati ca: R. FEULGEN, J.VERNE, J.BRACHET, G.G M RI,A. SELIGMAN, A.C.PEARSE si altii.

1.2. Contributii romanesti la studiul celulei si la dezvoltarea histologiei

Constituirea unei discipline de histologie de sine statatoare in invatamantul medical din Romania s-a realizat in anul 1873, la Iasi de catre profesorul SCULLY si in anul 1881 la Bucuresti de catre profesorul M. PETRINI-GALATZI, elev a lui RANVIER, prin separarea histologiei de anatomie. Inainte de aceste date,insa N. KRETZULESCU (in 1839) si-a sustinut teza de doctorat privind structura microscopica a dintilor si cristalinului, iar din 1859 LUDOVIC FIALLA a predat un curs de Anatomia microscopica si histologie, fiind primul profesor de histologie la scoala de medicina din Bucuresti, ctitorita de Carol Davilla.

La Facultatea de Medicina Veterinara din Bucuresti, in anul 1883,histologia figura printre obiectele de studiu ale anului I, fiind predata de profesorul C.Gavrilescu pana in anul 1899, iar in continuare de profesorul Ion Athanasiu, in paralel fiziologia animala. Din 1905 pana in 1923, cursul de histologie a fost predat de profesorul Ion Dragoi, elev al lui Ion Athanasiu, impreuna cu care a efectuat cercetari remarcabile privind histofiziologia tesutului muscular, descriind sarcolema si tubii ' T '. Intre anii 1923-1941, profesorul Dragoi a predat histologia la Facultatea de medicina umana din Cluj. Dupa 1923, la conducerea disciplinei, s-au succedat profesorii: G. NIKITA (intre anii 1923-1928), I.T.NICULESCU (intre 1928-1932)- un stralucit elev al lui G. MARINESCU (fondatorul neurohistologiei romanesti), ILIE BADESCU (intre 1932-1848), ILIE DICULESCU (intre 1946-1962), V.Ciurea si GH.BORDA ( intre anii

Profesorul ILIE DICULESCU, absolvent al Facultatii de medicina veterinara, a condus din anul 1962 disciplina de Citologie si histologie, de la Facultatea de medicina umana din Bucuresti, impunandu-se ca un creator al scolii de histoenzimologie si citochimie ultrastructurala. Un merit deosebit in dezvoltarea biologiei celulare revine savatului de origine romana, GEORGE EMIL PALADE, laureat al premiului Nobel pentru medicina, considerat principalul cartograf al celulei.

In prezent, disciplinele de Biologie celulara, histologie si embriologie sunt predate la Facultatile de medicina veterinara din tara de: prof.dr. Corneliu Cotea la Iasi, prof.dr. Viorel Miclaus la Cluj-Napoca, prof.dr. Mariana Sincai la Timisoara si prof.dr. Nicolae Cornila la Bucuresti, continuandu-se si dezvoltandu-se traditiile valoroase ale intemeietorilor si inaintasilor Scolii romanesti de morfologie microscopica.

1.3.Conceptia actuala despre citologie Citologia este o ramura a stiintelor biologice, care studiaza structurile functionale si fenomenele biologice generale comune tuturor celulelor, evidentiind legile generale de desfasurare a proceselor vitale la nivelul celular si molecular de organizare. Manifestandu-se ca o stiinta integrativa, ea foloseste notiuni de morfologie, biochimie moleculara si celulara, fiziolgie celulara si genetica moleculara. Ultimul deceniu se remarca prin intensificarea studierii nivelului molecular al proceselor celulare. Celula este considerata ,astfel, un microcosmos, in care structurile si functiile interactioneaza armonios, fiind determinate si reglate genetic, incat sa se realizeze o eficacitate maxima.

Dezvoltarea biologiei celulare si moleculare se datoreaza pe de o parte perfectionarii tehnicilor de studiere a celulei, iar pe de alta parte progreselor teoretice (conceptuale).

1.4.1.Tehnicile de studiere a celulei.

Sunt reprezentate de tehnici de microscopie (optica sau electronica) si de tehnici de cercetare ( fizice, biochimice, debiologie celulara si moleculara , etc).

1.4.1. Tehnicile de microscopie optica si electronica

Microscopia optica foloseste fotonii pentru realizarea imaginilor, asigurand mariri de 1500-3000 de ori (in mod obisnuit de 1400 ori), cu o putere de rezolutie de 0,2 micrometrii ( ).(Fig.1.1)

Fig.1.1 Formarea imaginii in microscopul optic

1.Sursa de lumina; 2.Dispozitiv de uniformizare si dozare a luminii;3.Condensor;4.Preparat;5.Lentila obictiv;6.Imagine formata in obiectiv;7.Lentila ocular;8.Imagine finala.

Microscopia in contrast de faza, permite examinarea celulelor vii prin utilizarea: microscoapelor cu interferenta, pentru aprecierea cantitativa a masei unor componente tisulare; - microscoapelor cu interferenta diferentiata, pentru studierea suprafetei celulelor.

Microscopia de fluorescenta evidentiaza moleculele cu fluorescenta naturala ( vitamina A, catecolaminele) sau fluorescenta indusa in imunohistochimie pentru detectarea reactiei antigen-anticorp.

Microscopia cu ultraviolete foloseste lumina ultravioleta pentru detectarea unor amino acizi sau a acizilor nucleici.

Microscopia cu lumina polarizata pentru studierea formatiunilor cristaline.

Microscopul confocal

Permite obtinerea de imagini tridimensionale ale structurilor din preparatele histologice.

Principiul de functionare este asemanator cu cel al microscopului de fluorescenta. Sursa de lumina este reprezentata de un laser a carei raza trece printr-o diafragma cu deschidere punctiforma, dupa care este reflectata de o oglinda mobila spre lentila obiectiv. Preparatul este situat la nivelul distantei focale a obiectivului. In urma actiunii razei laser asupra preparatului, acesta emite un fascicul de lumina (eventual fluorescenta) care este colectat de lentila obiectiv si dirijat spre diafragma punctiforma a detectorului, situata confocal (in focarul lentilei obiectiv, opus focarului in care este situat preparatul), rezultand o imagine finala, care este captata de un detector (similar ocularului).

Razele luminoase emise de formatiuni situate in alte planuri nu vor fi captate de detector, incat se obtine o imagine foarte'curata', neestompata de imagini ale obiectelor situate proximal sau distal fata de planul focal. Prin deplasarea in plan vertical a focarului lentilei obiectiv, se pot obtine imagini ale unor planuri succesive, ca profunzime, realizand 'sectiuni optice', fara a fi nevoie de o resectionare a preparatului. Imaginile planurilor succesive sunt stocate in memoria unui computer, care le 'ansambleaza' obtinand o imagine tridimensionala a preparatului examinat.

Microscopul confocal permite examinatorului sa obtina 'tomografia' unui preparat histologic, fiind folosit pentru studirea citoscheletului, a dispunerii cromozomilor in nucleu,etc. Daca este dotat cu lumina flurescenta poate obtine imagini confocale fluorescente. Microscopul electronic se bazeaza pe utilizarea fluxurilor de electroni pentru realizarea imaginilor, permitand obtinerea unor grosismente teoretice mai puternice de 10.000 de ori decat in microscopia optica. Se ajunge la o putere de rezolutie egala cu 0,1 nanometri (nm). Exista doua tipuri principale de microscoape electronice: - microscopul electronic de transmisie si microscopul electronic de baleaj (scanning).(Fig.1.2)

Fig.1.2 Formarea imaginii in microscopul electronic

1-Catod; 2-Anod; 3-Lentila (bobina)condensator;4-Preparatul; 5-Lentila (bobina) obiectiv; 6-Imaginea primara; 7-Lentila (bobina) de proiectie; 8-Imagine finala.

Microscopul electronic de transmisie (Transmission electron microscope - TEM) poate fi: - conventional (CTEM), cand diferenta de potential ajunge pana la 100.000 volti; sau - de inalt voltaj (HVEM), cand diferenta de potential ajunga la 800.000 volti.

Componentele esentiale ale unui microscopo electronic de transmisie sunt:

- Catodul sau sursa de electroni, reprezentat de un filament de tungsten incalzit.

- Anodul, care relizeaza diferenta de potential.

- Un sistem de electromagneti, care actioneaza ca niste lentile condensator, lentile-obiectiv si lentile de proiectie.

- Un suport pentru preparat sau portobiect, reprezentat de o grila metalica fina pe care se fixeaza sectiunea de tesut, inclusa in masa plastica.

- Un ecran pe care se capteaza imaginea.

- Un dispozitiv de fotografiere a imaginii.

Puterea de rezolutie este de 2 Angstromi(Å), in practica ajungandu-se la 1,2 nanometri.

Fig.1.3 Formarea imaginii la microscopul de baleaj (scanning)

1-Catod; 2-Anod; 3-Lentila (bobina) condensator; 4-Bobina de scanare; 5-Preparat; 5 -Detector de electroni; 6-Amplificator electronic; 7-Ecran de proiectie;8-Imagine finala.

Ca fixatori se folosesc glutaralaldehida, pentru constiutienti proteici si tetraoxidul de osmiu pentru lipide si fosfolipide. Se realizeaza sectiuni de ordinul nanometrilor cu ajutorul unor ultramicrotoame, inzestrate cu cutite de diamant. Ultrasectiunile sunt incluse in mase plastice si intise pe grile de cupru. Pentru realizarea contrastului intre diferite ultrastructuri se folosesc substante precum citratul de plumb si acetatul de uranil.

La examinare se observa ca structurile cu densitate mare disperseaza (imprastie) electronii, aparand de culoare inchisa, in timp ce structurile cu densitate mica, care permit trecerea electronilor apar, fara a-i devia apar clare.

In cazul microscoapelor electronice de inalt voltaj (HVEM), diferenta de potential atinge un milion de volti. Electronii pot patrunde prin celule intregi sau preparate de cativa microni (cca. 2 microni). Se obtine o imagine detaliata a organizarii tridimensionale, permitandu-se vizualizarea texturii celulare interne si a unor detalii de structura, cum ar fi de exemplu elemntele citoscheletului.

Microscopul electronic de scanning (Scanning electron microscope - SEM) se carcterizeaza prin faptul ca electronii nu trec prin preparatul studiat, ci matura (sterg) suprafata acestuia, incat se va obtine o imagine tridimensionala a accidentelor de suprafata. Puterea de rezolutie este de cca. 100 Angstromi.

Cand electronii folositi de TEM sau SEM bombardeaza preparatul se produc radiatii X cu lungimi de unda caracteristice elementelor lovite de electroni. Prin analiza acestor raze X cu aparate adecvate se pot obtine estimari calitative si cantitative foarte exacte asupra elementelor cu numarul atomic mai mare de 12.

1.4.2.Tehnici fizice .biochimice,de biologie celulara si moleculara

Tehnici fizice

- Fractionarea celulei prin centrifugare diferentiata permite obtinerea in stare pura a unor componente celulare, precum complexul Golgi, aparatul mitotic, ribozomi, etc. O contributie deosebita la perfectionare acestei tehnici a adus-o G.Em.Palade , care a pus la punct centrifugarea in gel de sucroza.

- Criofracturarea permite despicarea membranelor celulare inghetate, la nivelul planului median al bistratului lipidic.

- Autoradiografia localizeaza materialul radioactiv din tesut.

- Historadiografia realizeaza o microradiografie cu raze X a unui preparat histologic.

- Difractia razelor X, care a permis descifrarea structurii spatiale a proteinelor si a acizilor nucleici.

- Difractia si dispersia de neutroni, prin care s-a descifrat organizarea moleculara a cromatinei.

- Rezonanta magnetica nucleara de inalta rezolutie, ce se utilizeaza pentru studierea interactiunilor moleculare in membranele biologice.

- Rezonanta magnetica in impulsuri, folosita la studiul permeabilitatii membranelor pentru apa si ioni.

- Rezonanta electronica de spin, ce foloseste ca markeri specifici substante cu electroni impari care se atseaza si evidentiaza molecule de ADN, de proteine,etc.

- Spectrofluorometria,ce permite studierea vascozitatii membranelor, difuziunea, rotatia proteinelor.

Tehnici biochimice

In biologia moleculara se utilizeaza:

- Electroforeza in gel de poliacrilamida, pentru studiiul proteinelor si acizilor nucleici.

- Marcarile bazate pe fotoafinitate a unor parti din moleculelele integrate in structuri celulare.

- Reconstituiri de structuri si functii celulare din componentele purificate.

- Imunocitochimia evidentiaza reactiile dintre antigen si anticorp.

Tehnici complexe de biologie celulara si moleculara

Sunt reprezentate de:

- Tehnica ADN-ului recombinat.

- Producerea de anticorpi monoclonali cu ajutorul hibridoamelor, ce a permis descifrarea mecanismelor care regleaza exprimarea genei.

- Sinteza artificiala a genelor.

- Manipulari de gene, etc.

1.5. Progrese conceptuale.

Progresele teoretice sau conceptuale au permis imbogatirea, dezvoltarea si aprofundarea cunostiintelor de biologie celulara si moleculara. Sunt reprezentate de:

- Analiza si sinteza informatiilor obtinute de morfologia celulara, biochimia si biofizica celulara, fiziologia celulara,genetica moleculara, imunologia celulara si moleculara, virusologie,etc. In acest concept se manifesta doua tendinte opuse: una de acentuare a sintezei si alta de extindere a sferei de sinteza.

- Molecularizarea informatiilor , care consta in descifrarea structurilor si functiilor pana la nivel molecular. Acest fapt a dus la schimbarea denumirii acestei ramuri a stiintelor biologice din 'citologie generala' in 'biologie celulara' si apoi in 'biologie celulara si moleculara'.

- Integrarea informatiilor obtinute prin toate metodele si de la toate nivelele intr-un tot unitar, incat biologia celulara si moleculara studiaza in mod complex si complet aspectele morfofunctionale ale celululelor, observabile la microscopul optic, ultrastructurile relevate de microscopul electronic, organizarea si fiziologia moleculara, realizand o imagine exhaustiva a nivelului celular de organizare a materiei vii.

2. CELULA CA SISTEM BIOLOGIC

Prin sistem biologic se intelege un ansamblu de elemente (componente) interconectate intr-o formatiune complexa, relativ stabila, formatiune care se comporta ca un intreg, cu proprietati si functii distincte cantitativ si calitativ de proprietatile elementelor componente.

Exista sisteme lipsite de viata (abiotice), precum particulele subatomice, atomii, moleculele si sisteme dotate cu viata (biotice )cum ar fi celulele, tesuturile, organele, organismul, populatia, biocenoza si biosfera.

Celula (cellula) este primul sistem biologic care manifesta cea mai importanta caracteristica a materiei vii - capacitatea de auto reproducere. Formele de 'viata moleculara', identificate pana in prezent, ca 'prionii' (microorganisme patogene, formate din particule proteice, fara acizi nucleici) si virusurile (microorganisme ce contin acizi nucleici si proteine) sunt capabile sa se reproduca numai in interiorul celulei.

Celula, ca sistem, prezinta urmatoarele caracteristici:

Este un sistem deschis, pentru ca are in permanenta schimburi de energie si substanta cu mediul extracelular.

Are un caracter istoric, aparand la un anumit moment al evulutiei materiei vii si putand sa dispara, atunci cand materia vie isi va produce o alt

forma mai eficienta de organizare decat celula.

Are caracter informational, deoarece receptioneaza, acumuleaza, prelucreaza si transmite informatii cu ajutorul codului genetic.

Prezinta trei categorii de programe, legate de capacitatile sale structurale si functionale: a - programul ' pentru sine', ce asigura autoconservarea celulei ( de expl. in culturile de celule); b - programe ale sistemelor componente, ca de exemplu programele organitelor sau ale complexelor moleculare; si c - programe superioare care asigura existenta sistemelor superioare ( tesut, organ, organism).

Echilibrul dinamic, ce se manifesta printr-o 'pendulare' continua, fata de o stare morfofunctionala optima, stabila.

Autoreglarea sau 'feed back'-ul, prin care isi controleaza procesele interne, in functie de relatiile cu mediul prin mecanisme de tip cibernetic.

Heterogenitatea interna este insusirea de a fi alcatuita din elemente componente mai mult sau mai putin diferite ( de expl. mitocondrii, ribozomi, microfilamente, microtubului,etc.)

Integralitatea, prin care celula ca sistem, nu se reduce la suma insusirilor elementelor componente, ci prezinta insusiri noi (structurale si functionale) pe care nu le au aceste elemente considerate izolat. Aceasta insusire permite desfasurarea functiilor biologice fundamentale: metabolismul, reproducerea, adaptarea, mentinerea starii de stabilitatea diferentiata,etc.

Pe baza acestor caracteristici, conceptia actuala despre celula o defineste ca fiind: unitatea elementara a lumii vii, produs al evolutiei, cu structura complexa, in relatie de autonomie si echilibru dinamic cu mediul inconjurator, avand ca proprietati esentiale metabolismul, autoreproducerea, cresterea si dezvoltarea.

2.1. Arhetipurile celulare

Exista doua arhetipuri (arhetip = model primar, dupa G.E.Palade) celulare: procariotele (procariot =prenucleat, fara nucleu distinct) si eucariotele (eukariot= cu nucleu distinct).

Procariotele sunt reprezentate, in principal, de bacterii si de algele albastre verzi (denumite si cianobacterii). Ele sunt mai mici (1-10 ) decat celulele eucariote si lipsite de membrane intracelulare. Organitele celulare sunt putine (ribozomi) sau absente. Nucleul nu apare distinct, genomul (totalitatea genelor) nefiind separat de citoplasma. Prezinta un cromozom unic, dispus in citoplasma si reprezentat de un ADN circular neconjugat cu proteine. ARN-ul si proteinele sunt sintetizate in acelasi compartiment: in citoplasma. Nu au aparat mitotic, deoarece se inmultesc prin sciziparitate. Isi realizeaza locomotia prin flageli simpli. Au metabolism aerob sau anaerob. Sunt delimitate de o membrana plasmatica, ce trimite prelungiri endocelulare, denumite mezozomi, dublata la exterior de un perete celular. Nu prezinta citoschelet, nu au curenti citoplasmatici, iar endocitoza si exocitoza sunt absente. De obicei sunt monocelulare.

Eucariotele sunt reprezentate de protiste, fungi, plante si animale. Au dimesiuni mai mari (5-100 ) decat procariotele.Prezinta un sistem complicat de membrane intracelulare, care delimiteaza unele componente intracelulare (nucleul) si unele organite (mitocondriile, reticulul endoplasmic,complexul Golgi,etc). Au un nucleu distinct, in care este situat genomul, ce cuprinde mai multi cromozomi. Molecula de ADN este foarte lunga si conjugata cu proteine. ARN-ul este sintetizat si procesat in nucleu, in timp ce proteinele sunt sintetizate in citoplasma. Au citoschelet compus din proteine filamentoase, curenti citoplasmatici si desfasoara procese de endocitoza si exocitoza. Prezinta aparat mitotic.Se divid prin mitoza si meioza.

2.2 Morfologia generala a celulelor eucariote

Dimensiunile celulelor eucariote sunt extrem de variate. Ele se exprima in urmatoarele unitati de masura: micrometrul, nanometrul si angstromul.

1 micrometru ( m sau ) = 10^-3 mm = 10^-4 cm = 10^-6 m

1 nanometru (nm) =10^-3 m= 10^-6 mm = 10^-7 cm = 10^-9 m    1 angstrom ( )=10^-1nm =10^-4 m=10^-7mm=10^-8 cm =10^-10 m 

Limita practica de rezolutie a ochiului uman este de cca. 0,1 mm, a microscopului optic de 0,2 m, iar a celui electronic de 2 angstromi(

Pentru fiecare categorie de celule, dimensiunile sunt relativ constante, indiferent de specie sau marimea organului. Diferentele de greutate a aceluiasi organ la specii diferite sunt generate de numarul de celule pe care il contin si nu de volumul celulelor. De exemplu, nefrocitele si celulele musculare cardiace au dimensiuni apropiate la hominide,ecvine si canide.

Fig.2.1.Diagrama unitatilor de lungime

Dimensiunile medii ale diametrului celulelor se incadreaza intre 10-30 m, dar in organismul animalelor exista si celule mai mici, precum: neuronii din stratul molecular al scoartei cerebrale ( de cca.4-4 m), eritrocitele (5-7 m), precum si celule ce ajung la dimesiuni foarte mari, un exemplu constituindu-l ovulul ce atinge un diametru de 150-200 m la mamifere, 3,5 cm la pasari si 10 cm la strut. Neuronii motori din coarnele ventrale ale maduvei spinarii au un corp ce atinge un diametru de 200 m, iar daca se iau in considerare si prelungirile ajung la o lungime de 1-1,5 m sau mai mult, in functie de talia animalului. Fibra musculara striata are un diametru de ordinul micronilor, dar lungimea este foarte variata, de la 1 la 12 cm.

Fig.2.2. Forma celulelor

1-Ovula; 2-Hematie de mamifer; 3-Eritrocit de pasare; 4-Neutrofil de mamifer; 5-Spermatozoid; 6-Celule poliedrice;7-Celule pavimentoase; 8-Celule cubice; 9-Leiocit; 10-Neuron piramidal; 11-Neuron piriform; 12-Celula mezenchimala; 13-Fibroblast;14-Melanocit,15-Adipocit alb; 16-Histiocit; 17-Celula prismatica cu platou striat; 18-Celula caliciforma.

Volumul celulelor variaza in limite foarte largi de la 200 la15000 micrometri cubi ( ), mentandu-se constant pentru un anumit tip de celula, independent de marimea organului, aspect cunoscut sub denumirea de 'legea constantei volumului'.

Varsta si functia determina variatii in marimea celulelor. Se observa o reducere a volumului celular in cursul embriogenezei timpurii, in cursul imbatranirii si o crestere volumetrica in timpul dezvoltarii postnatale. Se stabileste un raport nucleo/citoplasmatic optim, un raport al suprafetei celulei fata de volum si un raport intre metabolism si volumul celulei.

Masa (greutatea) unei celule este de aproximativ 10^-12 g, iar cea a unui ovocit uman de 10 ^-8 g.

Forma celulelor, intial sferica se modifica in cursul diferentierii si maturarii celulelor. Forma celulelor este controlata atat de factori externi ca presiunea si vascozitatea mediului, cat si de factori interni ca activitatea functionala, varsta, vascozitatea citoplasmei, structura interna si caracteristicile suprafetei.(Fig.2.2 )

Forma celulelor se adapteaza la functie, respectandu-se o lege generala a biologiei, conform careia se obtine maximum de randament functional cu minimum de cheltuieli materiale si energetice.Astfel,celulele contractile sunt fuziforme sau cilindrice, iar celulele specializate in conductibilitate prezinta numeroase prelungiri.

Numarul celulelor este extrem de mare, ajungand la ordinul de milioane de miliarde (10¹⁴). Celulele sanguine reprezinta populatia cea mai numeroasa, reprezentata de mai multe zeci de miliarde. Numarul hepatocitelor si al neuronilor este de circa 100 de miliarde, iar cel al nevrogliilor este de aproximativ 10 ori mai mare decat numarul neuronilor.

Durata vietii celulei sau ciclul celular reprezinta intervalul de la aparitia unei celule pana la intrarea ei in diviziune. Variaza de la 10-20 minute pana la 10⁹ minute. Celulele bacteriene traiesc cateva zeci de minute, celulele epiteliale 1-2 zile, hematiile 127 zile, iar unele celule musculare si nervoase toata viata individului.

La om, in fiecare secunda au loc peste 4 milioane de diviziuni celulare, intr-o zi au loc cca. 350 bilioane diviziuni, iar intr-un an 10¹⁴ diviziuni, numar egal practic cu numarul total al celulelor ce alcatuiesc corpul omului adult.

2.3. Compartimentarea celulelor eucariote

Celula eucariota prezinta trei componenete principale: membrana, nucleul si citoplasma.(Fig.2.3)

Membrana poate fi situtata la periferie, realizand pe de o parte delimitarea celulei de mediul extracelular, sau poate fi dispusa in citoplasma, unde formeaza un sistem de membrane intracelulare cu o suprafata deosebit de activa biologic, de 10-20 ori mai mare decat cea a membranei periferice.

Membranele intracelulare, endomembranele sau citomembranele difera intre ele prin structura, compozitie chimica si functie. Ele impart celula in doua compartimente: compartimentul matriceal sau plasmatic 'P' si compartimentul intracisternal sau 'E'. Exista si un compartiment secundar sau de tip 'C', reprezentat de matricea mitocondriala si a cloroplastelor.

.2.3. Schema unei celule eucariote ideale

1-Membrana celulara;2-Nucleul; 3-Citoplasma; 4-Lizozom primar; 5-Poliribozomi liberi; 6-Reticul endoplasmic rugos; 7-Reticul endoplasmic neted; 8-Complex Golgi; 9- Microfilamente; 10-Microtubuli; 11-Centrioli; 12-Corpuscul bazal; 13-Microvili; 14-Cil; 15- Fagozom; 16-Peroxizom; 17-Caveola acoperita; 19-Nucleoli; 20-Heterocromatina; 21- Cisterna perinucleara; 22-Por nuclear; 23-Mitocondrie; 24-Corp rezidual; 25-Granule de secretie; 26-Picatura de lipide; 27-Granule de glicogen; 28-Pseudopode

Totodata endomembranele delimiteaza nucleul si unele organite celulare (lizozomii, reticululendoplasmic,complexul Golgi). Exista si organite nedelimitate de membrane (ribozomii,centriolii, corpusculii bazali, microfilamentele, filamentele intermediare si microtubulii).

3. Membranele celulare

Membranele celulare (membrana celullaris) sunt structuri moleculare complexe care marcheaza limita celulei sau a unui teritoriu intracelular.

Exista trei categorii principale de membrane celulare:

1.Membrana plasmatica sau plasmalema, ce confera individualitate celulei si participa la interactiunile dintre celule sau la cele cu mediul extracelular.

2.Citomembranele sau endomembranele, reprezentate de membrana nucleului, membranele reticulului endoplasmic, membranele complexului Golgi, membranele mitocondriilor, lizozomilor si peroxizomilor.

3. Membranele speciale reprezentate de membranele tecilor de mielina si de membranele discurilor din segmentul extern al celulelor vizuale din retina.

3.1 Organizarea moleculara a membranelor

In evolutia cunostiintelor despre organizarea moleculara a membranelor se disting mai multe modele:initial, paucimolecular, unit, mozaicul fluid si modelul actual.

Fig.3.1 Modelul paucimolecular.

1-Bistratul lipidic; 2-Stratul proteic extern; 3-Stratul proteic intern.

Modelul initial, elaborat de OVERTON in 1895, a sugerat prezenta lipidelor in membranele celulare, observand ca solventii organici difuzeaza mai rapid prin membrane decat in apa. G RTER si GRENDEL (1925) arta ca lipidele din membrane sunt dispuse in strat dublu (in bistrat), pentru ca suprafata filmului lipidic din hematii este dubla fata de suprafata acestora..

Modelul paucimolecular a fost elaborat in 1930 de DANIELLI si DAVSON, care masurand tensiunea superficiala a membranelor celulare, au gasit aproximativ o dina/cm patrat, fata de 5 dine cat reiesea din calcule. Asfel, au dedus ca stratul lipidic dublu (bistratul lipidic) este tapetat pe ambele fete de straturi de proteine, care reduc tensiunea superficiala. Totodata au demonstrat experimental acest fapt, adaugand proteine, ce au produs reducerea tensiunii superficiale. In 1935, DANIELLI si DAVSON, au elaborat modelul paucimolecular (paucus = putin numeros), dupa care membranele celulare au un centru lipoid 'lamina intermedia', format din fosfolipide, dispuse in strat dublu, cu capetele polare orientate spre exterior si tapetate cu proteine, care formeaza o lamina externa si alta interna.(Fig.3.1)

Modelul 'UNIT' a fost elaborat de ROBERTSON, intre 1958-1960, dupa cercetari efectuatte la microscopul electronic ( cu grosisment de 100.000), efectuate pe membrana tecii de mielina. Dupa acest model, membranele celulare au o ultrastructura trilaminara, prezentand doua benzi dense (de 2,5 nm), ce delimiteaza intre ele o banda clara ( de 3 nm), formata dintr-un ax lipidic hidrofob.

Acest model confirma modele anterioare si le dezvolta, adaugand doua noi concepte: - universalitatea bistratului lipidic si - asimetria chimica, dupa care glucidele sunt atasate numai pe fata externa, lipsind pe fata interna. Modelul este incomplet pentru ca ignora dinamismul moleculelor componente.(Fig.3.2).

Fig.3.2 Organizarea moleculara a membranei periferice

Modelul'mozaicului fluid', elaborat de SINGER si NICOLSON (1972) sustine ca moleculele componente (lipide si protide) difuzeaza in mod intamplator in bistratul lipidic.

Cercetarile ulterioare au aratat ca miscarile moleculelor sunt controlate de citoschelet si sunt limitate la anumite portiuni ale suprafetei membranei. Exista si zone ale fetei externe a bistratului lipidic neacoperite de proteine.

Modelul actual sustine ca:- bistratul lipidic este asimetric, fluid si reprezinta axul intregului edificiu molecular al membranelor; - pe fetele hidrofile, proteinele sunt distribuite asimetric, in aranjamente caracteristice.

3.2. Ultrastructura membranei periferice

Membrana periferica are trei componente ultrastructurale: plasmalema, glicolema,citoscheletul membranei.

3.2.1. Plasmalema

Avand o grosime de cca. 7,5 nm, plasmalema (plasmalemma) reprezinta structura de baza a tuturor membranelor celulare ( periferice sau endomembrane), fiind alcatuita din bistratul lipidic asociat cu proteine.

La un grosisment redus (de 10.000) apare ca o linie unica elecronodensa. La o marire de 100.000 ori, daca planul sectiunii a cazut perpendicular pe membrana, plasmalema prezinta un ascect caracteristic, trilaminar, cu doua benzi dense (de 2,5 nm), separate de o banda clara ( de 3 nm). Endomembranele au ,in general, acelasi aspect electronomicroscopic, respectand modelul unit. Banda luminoasa, clara (lamina intermedia) corespunde radicalilor acizilor grasi hidrofobi din fosfolipidele bistratului, iar benzile dense (lamina externa et interna) cuprind gruparile polare hidrofile ale fosfolipidelor si partial proteinele asociate membranei.(Fig.3.3)

Fig.3.3 Componentele membranei celulare periferice

I-Glicolema; II-Plasmalema; III-Citoscheletul membranei

Compozitia chimica a plasmalemei cuprinde: lipide complexe, proteine si glucide.

LIPIDELE sunt continute in bistratul lipidic, fiind reprezentate de fosfolipide (70%), colesterol (25%) si glicolipide (5%).

Fosfolipidele si glicolipidele sunt molecule complexe cu caracter amfofil (=amfipatice=bimodale), prezentand un 'cap' hidrofil (sau grupare polara) si o 'coada'hidrofoba, ce cuprinde fragmente de acizi grasi esterificati.Ele au tendinta de a se organiza in pelicule sau micelii, deoarece cozile trebuie sa se dispuna in afara contactului cu apa.Mentinerea moleculelor in pelicule sau micelii se realizeaza prin legaturi hidrofobe ce nu implica cheltuieli de energie.

Fig.3.4. Tendinta de organizare a moleculelor de fosfolipide

A-Monostrat; B,C- Micelii

1-Laturi de acizi grasi; 2-Grup polar; 3-Apa; 4-Aer

In cazul fosfolipidelor si glicolipidelor din membrana, forma cea mai stabila a miceliilor este reprezentata de stratul lipidic dublu in care gruparile polare sunt dispuse la exterior in contact cu apa, iar lantul de acizi grasi se afla la interior. Asfel, se formeaza un bistrat sau continuum lipidic.

Fosfolipidele din plasmalema sunt reprezentate de fosfogliceride (ca de exemplu: fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina, fosfatidilinozitolul) si de sfingolipide ( dintre care cea mai raspadita este sfingomielina. Molecula de fosfatidilcolina, denumita si lecitina, are aspectul unui 'cui', in care 'capul' (alcatuit din radicali de colina si fosfat) este hidrofil, poarta sarcini electrice si este numit grup polar. Resturile de acizi grasi sunt hidrofobe si formeaza segmentul apolar al moleculei.

Glicolipidele ocupa 5% din totalul lipidelor si pot fi simple ( de expl. cerebrozidele) sau complexe (de expl.gangliozidele) Gangliozidele contin unul sau mai multe resturi de acid sialic (numit si acid N-acetilneuraminic sau NANA) care le confera sarcina electrica negativa.

Incarcatura electrica negativa a suprafetelor celulare este conferita in mare parte de gruparile polare ale fosfolipidelor, ale glicoproteinelor sulfatate si indeosebi de radicalii carboxilici ai acidului sialic.

Colesterolul (25%) se gaseste in proportie mai mare in membranele la care predomina functia de bariera, dar scade in membranele intracelulare.

Exista o asimetrie in dispunerea lipidelor in bistratul membranei eritrocitare. Astfel,glicolipidele se gasesc numai in stratul extern, la nivelul caruia este abundent si colesterolul. In stratul intern al bistratului lipidic sunt mai frecventi acizii grasi nesaturati, in timp ce in stratul extern se intalnesc in proportie mai mare acizii grasi saturati cu lanturi lungi.Totodata lipidele sunt repartizate neuniform pe suprafata membranei celulare, putandu-se grupa in 'petice' sau 'calote', cu implicatii functionale speciale, indeplinind rol de receptori.

Fluiditatea lipidelor. La temperatura corpului, toate lipidele din membrana se gasesc in stare fluida. Ele pot executa doua tipuri de miscari: 1- miscari in interiorul unei molecule, precum miscari ale atomilor de carbon in lanturile de acizi grasi si in gruparea polara; 2-miscari ale intregii molecule, ce pot fi: - de translatie sau de difuziune laterala; - de rotatie in jurul axei longitudinale a moleculei si c- miscari de difuziune transversala (flip-flop).(Fig.3.5)

Fig.3.5.Miscarile lipidelor in  bistrat

1-Gruparea hidrofila; 2-Gruparea hidrofoba; 3-Difuziune laterala; 4-Rotatie; 5-Flip-flop;6-Flexie.

Moleculele de lipide se deplaseaza mai usor prin miscari laterale in acelasi strat si trec foarte greudintr-un strat in altul.

Unele lipide (expl. cardiolipina) sunt capabile, in prezenta ionilor de calciu, sa se detaseze din straturile lipidice si sa se dispuna in forma hexagonala, in cilindri de lipide, care delimiteaza canale, ce permit schimburi selective prin bistratul lipidic.(Fig.3.6).

PROTEINELE plasmalemei formeaza doua straturi asimetrice, ce tapeteaza bistratul lipidic sau pot traversa bistratul lipidic, unde executa miscari de translatie (difuziune laterala) si de rotatie. Prin electroforeza in gel de poliacrilamida au fost identificate 15 proteine majore, cu greutati moleculare intre 15.000-250.000 daltoni. Trei din aceste proteine (spectrina, glicoforina si proteina benzii 3) ocupa mai mult de 60% din greutatea proteinelor membranare.

Fig.3.6.Formarea porilor hidrofili

1-Lipide - grupari hihrofobe; 2-Lipide - grupari hidrofile; 3-Proteine;4-Por hidrofil

Fig.3.7. Dispunerea proteinelor in plasmalema

1-Bistratul lipidic; 2- Proteine extrinseci externe;

3-Proteine extrinseci interne; 4-Proteine intriseci transmembranare

Prin metode de cogelare-fractionare si fractionare-purificare s-au identificat doua grupuri de proteine:

-a) proteine transmembranare (intriseci sau integrale) cuprinse in bistratul lipidic ca niste cuburi de gheata, legate hidrofil si hidrofob de lipide. Se extrag foarte greu si servesc ca dispozitive de receptie-transductie.

-b) proteine membranare periferice (sau extrinseci) situate de o parte si de alta a bistratului lipidic, de care se ataseaza prin slabe legaturi hidrofile.(Fig.3.7)

Proteinele extrinseci sunt distribuite pe o fata sau alta a bistratului lipidic si si se leaga de capatele hidrofile ale lipidelor. Sunt mai numeroase pe fata interna unde participa la realizarea citoscheletului membranei celulare.

Proteinele de pe fata externa a bistratului lipidic sunt glicoproteine si se prelungesc pe distante mai scurte sau mai lungi in glicolema, atasand pe lantul lor polipeptidic fragmente de oligozaharide. Compozitia, ordinea moleculelor si dispunerea lanturilor de de oligozaharide fata de proteinele transmembranare determina specificitatea functionala si identitatea fiecarui tip de celule.

3.2.2. Glicolema sau glicocalixul

Glucidele plasmalemei sunt reprezentate de hexoze, hexozamine si acid sialic. Fragmentale de acid sialic ocupa intotdeuna extremitatile periferice ale lanturilor de oligozaharide si confera sarcina electrica negativa suprafetei celulelor eucariote.(Fig.3.8)

Fig.3.8. Organizarea glicocalixului

A-Glicocalix; B-Bistratul lipidic.

1-Rest glucidic; 2-Glicolipida; 3-Glicoproteina adsorbita;    4-Proteina transmembranara

Lanturile de oligozaharide sunt ancorate pe versantul extern al plasmalemei, formand un invelis al suprafetei celulare, numit glicocalix (invelis dulce) sau glicolema. Nu exista o delimitare neta intre glicocalix si substanta vie din spatiul extracelular, cunoscuta sub numele de matrice extracelulara.

Glicolema sau glicocalixul (glicocalyx) prezinta o componenta externa, de natura glicoproteica, cu grosimea medie de 50 nm, a membranei celulare periferice. A inceput sa fie investigat abia din 1963, cand BENNET i-a cercetat structura si functia, implicandu-l in legarea selectiva a ionilor de calciu si potasiu.

Glicocalixul prezinta doua zone: - o zona interna, denumita si invelis de suprafata, mai putin densa, cu grosimea de 20 nm si o zona externa mai densa, cu grosimea de 30 nm.

Grosimea glicocalixului apare variata, fiind: -mult redusa la celulele in culturi; - subtiat pana la 20-30 nm, cand ocupa spatiul dintre celulele invecinate; - crescut, pana la 50 nm la celulele libere sau pe polul apical al celulelor intestinale.

Din punct de vedere chimic, glicocalixul este alcatuit dintr-o tesatura delicata de de lanturi proteice, pe care sunt ancorate fragmente de glucide. Dintre monozaharide, in glicoproteinele si glicolipidele de la nivelul membranelor si din glicocalix, cele mai importante sunt: galactoza, galactozamina, manoza,fucoza, glucoza, glucozamina si acidul sialic.

Raportul strans, de continuitate, dintre glicolema si plasmalema se datoreaza glicolipidelor si glicoproteinelor componente, invelisul de suprafata devenand parte integranta a membranei celulare.

Glicocalixul confera individualitate biochimica celulei, comportandu-se ca o 'carte de identitate a celulei', datorita numeroaselor variante moleculare pe care le realizeaza cu ajutorul monozaharidelor componenete. Intre moleculele membranei, oligozaharidele induc o variabilitate periferica pronuntata, in contrast cu varibilitatea redusa a lantului polipeptidc. Astfel, trei aminoacizi diferiti pot da nastere la sase tripeptide, in timp ce trei monozaharide pot genera 1056 trizaharide diferite.

Functiile glicocalixului sunt :

Participa, alaturi de matricea extracelulara, la realizarea adezivitatii intercelulare;

Asigura specificitatea si individualitatea biochimica tipului de celule.Astfel grupele sanguine sunt determinate de gruparile glucidice terminale aflate pe glicoproteinele si glicolipidele din membrana eritrocitelor.

Contine gruparile glucidice ale proteinelor-receptori din membrana, dar si ale unor proteine implicate in fenomenele de transport.

Depoziteaza ionii de calciu (Ca²⁺)datorita sarcinilor elctrice negative si intervine in controlul schimburilor ionice transmembranare.

Participa la transmiterea informatiei despre celula.Astfel, unele celule din ficat si din splina recunosc cu ajutorul receptorilor de membrana glicoproteinele si glicolipidele de pe suprafata eritrocitelor uzate, care au pierdut acidul sialic si prezinta descoperita galactoza, ce ocupa penultimul loc din lant. Galactoza este recunoscuta de receptorii macrofagelor din ficat (celulele Kupffer), incat hematiile uzate sau imbatranite sunt imobilizate, fagocitate si lizate.

3.2.3. Citoscheletul

Citoscheletul (cytoscheleton) membranei celulare este o retea cu grosimea de 5-9 nm, de proteine extrinseci, situate pe fata interna a membranei periferice. Citosheletul este ancorat de plasmalema prin intermediul capatului intern al proteinelor transmembranare, iar spre interiorul celulei se continua cu citoscheletul din matricea citoplasmatica.

La microscopul electronic, citoscheletul membranei apare ca o retea de microfilamente proteice orientate neregulat, in nodurile retelei fiind prezente proteine globulare.

Fig.3.9.Schema citoscheletului membranei

A-Complexul spectrina, anchirina, proteina integrala;

B-Complexul spectrina, actina,proteina benzii 4-1;

1-Proteina transmembranara; 2-Anchirina; 3-Filamente scurte de actina; 4-Proteina benzii 4-1; 5-Spectrina.

Datele referitoare la citoscheletul mebranei au fost obtinute in urma cercetarilor efectuate pe membranele globulelor rosii, ulterior fiind considerate valabile si pentru membranele altor tipuri de celule.(Fig.3.9)

In membrana hematiilor, citoscheletul inglobeaza circa 60% din masa proteinelor intregii membrane. Principalele tipuri de proteine citoscheletale sunt: spectrina,anchirina, actina,glicoforina si o proteina care in cursul electroforezei in gel de poliacrilamida migreaza in banda 4-1. Mai sunt prezente si alte proteine neidentificate, ce au mase moleculare diferite. Prin extragerea spectrinei si actinei, citoscheletul membranei se dezintegreaza, piezandu-si forma si structura.

Spectrina (sau tectina) este proteina care predomina in citoschelet. Apare sub forma a doi dimeri (unul de 240.000daltoni si altul de 220.000 daltoni). Dimerii de spectrina au o forma de bastonas cu o lungime de 100 nm si o grosime de 5 nm. Ei se pot lega cap la cap formand tetrameri, hexameri, octameri. Moleculele solitare de spectrina sunt foarte flexibile.

Anchirina (nectina sau sindeina) este un polipeptid de 200.000 daltoni, cu forma sferica sau piramidala. Intr-o hematie de la om exista cca. 120.000 de molecule de anchirina, intr-un neutrofil - 600.000, intr-un trombocit - 3.000, iar intr-un fibroblast - 30.000. Leaga spectrina la capatul citoplasmatic al proteinei benzii 4,1.

Actina se gaseste sub forma de mici fragmente de actina fibrilara, ce contin 13 monomeri. Lungimea fragmentelor de actina variaza in functie de numarul moleculelor de spectrina pe care le leaga prin capetele lor, fapt ce poate explica plasticitatea citoscheletului membranei, in vivo si aspectul lax al acestuia la microscopul electronic.

Proteina benzii 4-1 are aspect globular, cu diametru de 6 nm.

Laturile retelei citoscheletului membranar sunt alcatuite din dimeri de spectrina, iar nodurile retelei (complexele jonctionale) sunt formate din doua tipuri de complexe moleculare: - un complex ce contine spectrina, anchirina si o proteina transmembranara, ce realizeaza legatura cu membrana plasmatica; - si un alt complex format din spectrina, actina, proteina benzii 4-1 si adducina, prezent in nodurile propiu zise ale retelei. Proteinele citoscheletului membranei, impreuna cu lipidele si proteinele de pe fata interna a plasmalemei prezinta numerosi radicali hidrofili electronegativi, incat incarcatura electrica negativa este mai puternica decat pe fata externa.

Totodata, in citoscheletul membranei, se gasesc unele proteine cu patru locusuri de legare a calciului, denumite calmoduline, ce joaca un rol important in reglarea proceselor intra celulare. Legaturile dintre diferitale tipuri de proteine din citoschelet sunt realizate prin procese de fosforilare in care intervine o proteina reglatoare, gelsolina, dependenta de calciu.

Citoscheletul membranei confera: -1) elasticitate, prin dispunerea in retea a proteinelor; si -2) rezistenta, prin complexele proteice de la nivelul nodurilor.

3.3.Diferentieri de suprafata ale membranei celulare periferice.

Sunt neregularitati ale citoplasmei periferice, cu caracter tranzitoriu sau permanent, delimitate de membrana.

Diferentierile tranzitorii apar si dispar in raport cu anumite momente functionale ale celulei, avand aspectul unor infundaturi (invaginatio cellularis) ale plasmalemei ( in endocitoza), sau al unor expansiuni (processus celularis), cum ar fi pseudopodele sau valurile ondulante, prin care se realizeaza deplasarea celulelor.

Pseudopodele (processus amoeboideus) sunt expansiuni cu forma de conuri (processus filiformis) sau degete (processus digitiformis), cu ajutorul carora leucocitele adera de suporturi, deplasandu-se in timpul diapedezei. Ele contin organite celulare, precum mitocondrii, ribozomi, lizozomi.

Valurile si membranele ondulante (processus lamellosus) sunt expansiuni lamelare, foarte mobile, ce se formeaza in mediul lichid. Nu contin organite si nu adera la suporturi. Apar in urma unor modificari ale tensiunii superficiale si se intalnesc la histiocitele implicate in fagocitoza.

Expansiunile permanente sunt reprezentate de microvilozitati, cili si flagel.

Microvilozitatile (microvillus) sunt expansiuni cilindrice, delimitate de membrana polului apical (apex cellularis).Ele intervin in procesele de absorbtie prin marirea suprafetei de contact a celulei cu substantele ce vor fi absorbite si prin concentrarea unui numar mare de receptori. Pot fi dispuse grupat sau solitar. Microvilozitatile solitare sunt inegale, cu forme si dimensiuni variabile, distantate unele de altele, formand marginea in perie ( la nefrocite, din tubii contorti ai nefronului).

Platoul striat cuprinde numeroase microvilozitati (300-3000/enterocit) uniforme ca lungime (0,6-0,8 m) si diametru (200 nm), imbracate in glicocalix. Plasmalema microvilozitatilor contine ATP-aza si un numar mare de transportori. Citoplasma microvilozitatilor cuprinde in zona centrala 10-40 microfilamente de actina, dispuse paralel cu axul lung al microvilului.(Fig.3.11)

Microfilamentele de actina se insera cu un capat pe plasmalema polului apical al microvilului, iar la polul bazal al acestuia se termina intr-o retea perpendiculara de filamente de actina si miozina, denumita buton terminal, ce are rolul de a mentine pozitia microvilului. Manunchiul de microfilamente din microvil este legat de plasmalema, din loc in loc,printr-o proteina, denumita fimbrina. Aceste legaturi formeaza o scara, in spirala, de-a lungul microvilului.

Fig.3.10. Diferenteri ale membranei celulare

1-Capilar sanguin; 2-Neutrofile; 3-Pseudopod; 4-Nucleu de histiocit; 5-Valuri ondulante;    6-Macrofag cu valuri; 7-Enterocit;8 -Microvili; 9-Glicocalix; 10-Lumenul nefronului; 11- Margine in perie; 12-Celula prismatica ciliata; 13-Cili; 14-Axonema; 15_Corpuscul bazal; 16-Radacina cilului; 17-Sectiune transversala prin tija cilului; 18-microtubuli centrali si periferici; 19-Stereocili pe celule epiteliale din epididim; 20-Flagelul spermatozoidului

Fig.3.11.Dispunerea microfilamentelor in microvilul intestinal

1-Microvili;2-Microfilamente de actina; 3-Microfilamente de miozina; 4-Zonula adherens.

Cilii (cilium) pot fi mobili (sau vibratili) si rigizi (sau stereocili).

Cilii mobili (kinetocilii) sunt prezenti la polul apical al celulelor epiteliale din mucoasa aparatului respirator sau a oviductului. Au o lungime de 5-15 m, o grosime de 0,2 m si sunt formati din trei portiuni: - tija sau portiunea libera, -corpusculul bazal si radacina.

Fig.3.12.Cili- aspect, structura si ultrastructura

A-Epiteliu pseudostratificat prismatic cilat; B-Celule prismatice ciliate,polul apical;C-Sectiune transversala prin cil.

Tija (pars extracellularis) contine o matrice electrono -densa, plasata la periferie si un complex filamentos axial (sau axonema)(filamentum axiale), format din 10 perechi de tubuli longitudinali: -o pereche centrala (microtubulus centralis) si - noua perechi periferice (diplomicrotubulus periphericus), dispuse in jurul perechii centrale.

Corpusculul bazal (corpusculum basale) are un aspect cilindric si cuprinde in strucutra sa noua dublete sau triplete (triplomicrotubulus) periferice de microtubuli, lipsandu-i perechea centrala. Coordoneaza miscarea cililor.(Fig.3.12)

Radacina (radix basalis) cilului este formata din dubletele sau tripletele periferice ale corpusculului bazal care ajung in citoplasma polului apical al celulei ciliate. Are rolul de a ancora cilul in citoplasma, prezinta proprietati contractile si participa la conducerea stimulilor receptionati de portiunea libera.

Stereocilii sunt cili rigizi, in structura carora lipseste perechea de microtubuli centrali, avand numai cele noua dublete periferice. Se intalnesc pe polul apical al celulelor din epiteliul epididimului.

Flagelul (flagellum) are in axonema o pereche centrala si noua perechi periferice de microtubuli. Este prezent in alcatuirea spermatozoidului.

3.5. Jonctiunile celulare

Jonctiunile celulare (junctio intercellulares) sunt structuri stabile prin care plasmalemele celulelor interactioneaza specific. In raport cu functiile lor , se disting trei categorii de jonctiuni: -de adezivitate, - impermeabile si -de comunicare.(Fig.3.13)

Fig.3.13.Tipuri de jonctiuni celulare

A-Jonctiuni impermeabile - zonula occludens; B-Desmozomi in banda - zonula adherens; C-Desmozomi in pata - macula adherens; D-Jonctiuni permeabile -gap.

In afara acestor tipuri principale se mai descriu jonctiuni simple si complexe jonctionale (jonctio intercellularis complex). In cazul jonctiunilor simple (junctio intercelluaris simplex), intre plasmaleme exista un spatiu de cel putin 30 nm prin care pot trece toate tipurile de molecule existente in mediul intercelular. Dupa aspectul lor, jonctiunile simple sunt de trei tipuri: - spatii intercelulare, - jonctiuni intercelulare denticulate (junctio intercellularis denticulata), si - jonctiuni intercelulare digitiforme (junctio intercelluaris digitiformes).

3.3.1.Jonctiunile de adezivitate sau dezmozomii.

Desmozomii (desmosoma) sunt jonctiuni ce confera o mare rezistenta mecanica unor tesuturi si organe, solicitate in acest sens . Se prezinta sub trei forme, toate intalnite in tesuturile epiteliale: 1-desmozomi in pata; 2-desmozomi in banda; 3-hemidesmozomi.

Desmozomii in pata (macula adherens) .Se mai numesc si desmozomi in 'spot', in 'nit', sau macula adherens (macula = pata, in limba latina). Sunt prezenti mai ales in tesuturile epiteliale de acoperire. In alcatuirea lor intra urmatoarele componente: 1- plasmalemele adiacente, dispuse paralel, la o distanta de 25-30 nm; 2-un material proteic, intercelular dens la fluxul de electroni, cu aspect filamentos, bisectat de o densificare centrala,bogata in glucide si calciu; 3-densificari intracelulare, in forma de disc, atasate de plasmalele jonctionate; 4-dispozitive de legatura sau linkeri, reprezentati de microfilamente, ce se detaseaza din materialul dens intercelular, strabat plasmalemele si apoi discurile intracelulare, pentru a se ancora la microfilamentele citoscheletului; 5-elemente citoscheletale, respectiv microfilamente de actina sau filamente intermediare de cheratina, care se numesc tonfilamente.(Fig.3.14)

Fig.3.14 Desmozom in pata-schema

1-Plasmalemele adiacente; 2- Spatiu si material intercelular; 3-Discuri intracelulare; 4-Linkeri; 5-Tonofilamente.

Desmozomii in banda (zonula adherens) sau in panglica (zonula=panglica, in latina) sunt prezenti la polul apical al celulelor epiteliale si la nivelul segmentelor transversale ale discurilor intercalare cardiace.

Prezinta o structura asemanatoare cu cea a desmozomilor in pata, cu urmatoarele deosebiri: -spatiul intercelular, de 15-25 nm este mai sarac in material electronodens; -densificarile intracelulare, de pe fata interna a plasmalemelor jonctionate, nu au forma de disc, ci de banda sau panglica. (Fig.3.15)

Hemidesmozomii (sau semidesmozomii) (hemidesmosoma) reprezinta o varianta a desmozomilor in pata, prin care se leaga celulele epiteliale de membranele bazale. Prezinta numai jumatate din structura desmozomului in pata, in sensul ca, pe frotul citoplasmatic al plasmalemei exista un disc, care se leaga de membrana bazala prin filamente.

Fig.3.15. Schema desmozomilor in banda (zonula adherens)

A-Densificari intracelulare in banda; b-Spatiul intracelular.

3.3.2.Jonctiunile impermeabile ( sau jonctiunile stranse).

Sunt dispuse in panglica, fapt pentru care se mai numesc zonula occludens. Se caracterizeaza prin obliterarea spatiului intercelular, deoarece membranele adiacente se apropie complet sau se sudeaza pentru a forma structuri pentalaminate sau heptalaminate. La realizarea acestor jonctiuni participa proteine transmembranare, care se dispun in siruri gemene pentru a construi dispozitive ce se conecteaza 'in fermoar' pe fetele externe ale membranelor adiacente. Pe fetele interne , proteinele transmembranare sunt 'ancorate' prin intermediul unor microfilamente la citoscheletul matricei.

Aceste jonctiuni impiedica scurgerea fluidelor printre celule, inclusiv a micromoleculelor, care sunt obligate sa treaca prin celula. Sunt intalnite la portiunile apicale ale celulelor care delimiteaza lumenul intestinului. Astfel, glucoza este pompata activ din lumenul intestinal in

celula prin suprafata polului apical, dupa care trece in sange prin difuziune facilitata mediata de transportorii situati in zonele bazo-laterale ale plasmalemei, pe care o polarizeaza functional intr-un domeniu

Fig.3.16.Schema jonctiunilor impermeabile

A-,B-Plasmalemele adiacente; C-Proteine transmembranare; D-Spatiu intercelular;

E-Enterocit; F-Citoscheletul matricei.

apical si altul latero-bazal.Totodata, jonctiunile stranse impiedica

retrodifuziunea glucozei din spatiul intercelular in lumenul intestinului.(Fig.3.16).

Jonctiunile stranse au aspecte diferite, in functie de tesutul epitelial in care sunt prezente. Astfel, jonctiunile stranse de la polul apical al celulelor din tubul contort proximal al nefronului au o rezistenta relativ scazuta, fiind formate numai din unul sau doua siruri de proteine transmembranare. La nivelul celulelor epiteliale din mucoasa vezicii urinare, jonctiunile stranse contin sase sau mai multe siruri de proteine transmembranare, incat se realizeaza o jonctiune puternica, extrem de greu de traversat. La nivelul barierei hematoencefalice, jonctiunile stranse existente intre celulele endoteliale ale vaselor din encefal realizeaza o protectie eficienta pentru tesutul nervos, permitand insa trecerea glucozei (principala sursa de energie) din sange in creier si trecerea, in sens invers a bioxidului de carbon, rezultat din respiratia celulelor nervoase.

Jonctiunile celulare stranse se caracterizeaza prin: -flexibilitate si siguranta; - formarea unor bariere chimice si fizice intercelulare; - conferirea unei polaritati a celulelor angajate in jonctiuni; -aparitia de timpuriu, intre celulele embrionare, initial sub forma de macule, care se extind treptat, luand forma de zonule.

Jonctiunile focale reprezinta o varianta a jonctiunilor stranse, in care membrana celulei se apropie de substratul de adezivitate pana la 10-15 nm. Pe fata extracelulara a membranei sunt prezente filamente glicoproteice de fibronectina, iar pe fata intracelulara se aglomereaza fascicule de microfilamente de actina si vinculina, care se leaga de plasmalema prin intermediul unor densificari adiacente membranei. Intre filamentele de fibronectina si microfilamentele de actina si vinculina se realizeaza dispozitive transmembranare de legatura (de 8-20 nm), denumite fibronexuri.

3.3.3.Jonctiunile de comunicare

Permit trecerea unor molecule mici dintr-o celula in alta si sunt de de doua tipuri: jonctiunile permeabile si sinapsele.

Jonctiunile permeabile, de tip gap, nexus sau macula comunicans sunt realizate prin structuri proteice, denumite conexoni, ce strabat plasmalema, proeminand de o parte si de alta a bistraturilor lipidice ale membranelor adiacente. Sunt raspandite in diferite tipuri de tesuturi, reprezentand principala cale de comunicare intercelulara. Permit schimburi rapide de molecule, facand posibila o cooperare metabolica eficienta.Spatiul intercelular (spatium intercellulare) este foarte ingust (2-4nm). In momentul realizarii jonctiunii permeabile, conexonii din cele doua plasmaleme se aseaza cap la cap, formand canale directe de comunicare intre citoplasmele celor doua celule, fara deschideri in spatiul intercelular.(fig.3.18).

Fig.3.17Schema jonctiunii permeabile (gap)

Plasmalemele adiacente;

2-Spatiu intercelular;

3-Conexoni;

4-Canale intercelulare.

Fig.3.18.Diagrama schimburilor moleculare prin jonctiunile gap.

Un conexon are o forma de prisma hexagonala cu diametrul de 7-8 nm si este alcatuit din 6 subunitati proteice (oligomeri). Subunitatile delimiteaza un canal hidrofil cu diametrul reglabil. Ionii de calciu intracelular (Ca²⁺) modifica diametrul canalului, controland astfel comunicarea intercelulara.

Canalul hidrofil al jonctiunii gap permite trecerea dintr-o celula in alta a ionilor si a unor molecule cu greutate sub 1.000-1500 daltoni, precum: glucide, aminoacizi, nucleotide, hormoni, vitamine,etc. Nu pot sa treaca macromoleculele (proteine, acizi nucleici, etc.), dar sunt de 10.000 ori mai permeabile pentru ionii metalici decat restul suprafetei membranei.

In culturile de celule, jonctiunile de tip gap se organizeaza foarte rapid, din proteinele existente in plasmalema, care se grupeaza in conexoni. Ele permit schimbul unor molecule de marimi medii, ca nucleotizii.

Jonctiunile gap sunt necesare mai ale in situatiile in care celulele trebuie sa actioneze simultan, in grup, cum este cazul celulelor embrionare, pe cale de diferentiere sau intre celulele musculare (cardiace si netede), nervoase si endocrine.

3.3.4.Complexele jonctionale

Cuprind jonctiuni stranse spre frontul luminal si desmozomi spre frontul latero-bazal. Sunt intalnite, mai ales, intre celulele din epiteliile intestinale si renale. In complexele jonctionale sunt prezente toate tipurile de legaturi intercelulare necesare pentru indeplinirea functiilor specifice tesuturilor respective.(fig.3.19)

Fig.3.19. Complexe jonctionale in epiteliul intestinului subtire.

A-Micvrovili; B-Jonctiuni impermeabile; C-Desmozomi in banda; D-Desmozomi    in pata; E-Filamente din citoschelet; F-Jonctiuni permeabile;

G-Hemidesmozomi; H-Mebrana bazala.

3.5. Receptorii din membrane

Receptorii din membrane sunt dispozitive moleculare proteice intramembranare, cu ajutorul carora se intercepteaza semnalele, ce sosesc pe cale nervoasa sau umorala.

Toate substantele care se leaga de receptori si moduleaza (modifica) functia celulara se numesc liganzi. Liganzii sunt substante, produse de celule specializate, care actioneaza in mod specific asupra unui grup de celule 'tinta', producand-le modificari ale activitatii . Ei sunt denumiti si mesageri extracelulari sau mesageri de ordinul I, cei mai cunoscuti fiind hormonii si neurotransmitatorii.Liganzii actioneaza in cantitate foarte mica (10^-8 M), iar receptorii ii leaga cu o constanta de afinitate mare (K=10⁸ litri/mol).Exista doua mari categorii de receptori in membrane: receptori pentru substante endogene si receptori pentru substante exogene.

3.5.1. Receptorii pentru substante endogene

Se cunosc mai multe categorii de molecule semnal (de liganzi) de natura endogena (produse de organism): 1-mediatori chimici locali; 2-hormoni; 3-neurotransmitatori; 4-substante imunogene.

Mediatorii chimici locali sunt secretati de unele tipuri de celule si actioneaza numai asupra celulelor din imediata lor vecinatate. Ei sunt rapid captati si distrusi.(Fig.3.20).

Hormonii sunt substante endogene produse de celulele glandelor endocrine. Pe cale sanguina, ajung la celulele tinta din diferite organe, actionand la distante mari de locul de producere.

Neurotransmitatorii sunt substante endogene produse de neuroni si eliberate la nivelul sinapselor chimice. Ei actioneaza numai asupra neuronilor agajati in sinapsa.

Hormonii si neurotransmitatorii sunt considerati mesageri de ordinul I. Hormonii au o compozitie chimica variata, putand fi substante steroide (hormonii sexuali) sau polipeptide ( ca de expl. hormonii pancreatici si tiroidieni). Hormonii steroizi patrund in celula, traversand bistratul lipidic, pe cand cei polipeptidici se cupleaza cu receptorii specifici din membrana, actionand de la acest nivel.

Substantele imunogene sunt reprezentate de : -antigene endogene; - anticorpi; - componentele complementului.

Receptorii pentru neurotransmitatori sunt situati in membrana postsinaptica a celulelor nervoase, in membrana celulelor musculare sau a altor celule efectoare. Ei receptioneaza acetilcolina, noradrenalina, dopamina, serotonina, adrenalina, histamina, acidul gama-aminobutiric, acidul aspartic, encefalina,etc.

Fig.3.20. Molecule semnal endogene.

Receptorii pentru hormoni au o localizare diferita in celula, in functie de tipul hormonului, hidrofil sau hidrofob. Hormonii hidrofili (insulina, glucagonul, adrenalina, hormonii hipofizari, parathormonul,etc.) se ataseaza de receptorii din membrana periferica, transmitand celulei informatia necesara pentru a-si modula activitatea. Dintre receptorii hidrofili, cei mai bine studiati sunt receptorii pentru insulina din membrana hepatocitelor si adipocitelor. Ei au o masa moleculara de 300.000 daltoni, iar in membrana unei celule exista circa 10.000 receptori pentru insulina. Hormonii hidrofobi (steroizi si tiroidieni) traverseaza membrana celulei tinta si se leaga de receptorii membranelor intracelulare.

Receptorii pentru substantele imunogene sunt de trei feluri: 1-pentru antigene endogene; 2- pentru anticorpi; 3- pentru complement.

Receptorii pentru antigene endogene sunt mai numerosi pe membrana limfocitelor T, sunt codificati genetic si au capacitatea sa recunoasca structurile moleculare 'self' (proprii organismului respectiv).Ei pot fi prezenti si in membrana unor celule neimunogene (expl. in membrana enterocitelor.)

Receptorii pentru anticorpi sunt receptori Fc, pentru fractiunea cristalizabila a imunoglobulinei G. Ei sunt prezenti in membrana celulelor din sistemul fagocitelor mononucleare. In membrana bazofilelor si mastocitelor se gasesc receptori pentru imunoglobulina E.

Receptorii pentru complement leaga cea de a treia componenta a complementului de suprafata celulei, fiind caracteristici celulelor din sistemul fagocitelor mononucleare.

3.5.2.Receptorii pentru substante exogene

Sunt receptori pentru:

- virusuri, capabili sa recunoasca adenovirusuri, mixovirusuri,etc.;

- antigene nonself (straine de organism); sunt prezenti pe suprafata limfocitelor B si au o structura moleculara asemanatoare imunoglobulinelor.Acesti receptori determina transformarea blastica a limfocitelor B, dupa contactul cu antigenul.

- toxine microbiene. Sunt prezenti in membrana celulelor imunocompetente.

- lectine. Lectinele sunt substante proteice sau glicoproteice, extrase din tesuturi vegetale sau animale, capabile sa formeze punti intre glicoproteinele membranare.

3.5.3.Mecanismul de actiune al receptorilor.

Receptorii din membranele de suprafata sunt activati in majoritatea cazurilor de molecule semnal (liganzi) hidrofile.

Moleculele semnal hidrofile nu pot strabate membrana celulara decat dupa ce se leaga de receptorii specifici. Sub influenta diferitilor liganzi se produc modificari metabolice in celulele tinta. Atasarea liganzilor de receptori se realizeaza prin legaturi hidrofobe si legaturi de hidrogen ( ca de exemplu legarea insulinei de receptori ). Legaturile sunt labile si strict dependente de concentratia liganzilor din mediul extracelular.

Efectele actiunii complexului ligand-receptor asupra celulelor constau in: modificari structurale ale membranei celulare si modificari functionale ale membranelor.

Modificarile structurale ale membranei celulare se manifesta prin redistribuirea receptorilor, raspanditi la intamplare inainte de interactiunea ligand receptor. Dupa contactul ligand-receptor, receptorii se grupeaza la suprafata membranei in zone delimitate sau 'plaje'.(Fig.3.21)

Acest lucru se poate realiza datorita fluiditatii bistratului lipidic, incat mai multe molecule de ligand pot actiona asupra mai multor receptori invecinati. Astfel in limfocitele B, lectinele pot induce formarea unor agregate receptor-ligand de dimensiuni mari, denumite cupole, unde se declanseaza un proces de endocitoza.

Fig. 3.21. Redistribuirea receptorilor din membrana celulara

Modificarile functionale ale membranelor constau in:

1- Modificari de permeabilitate a membranei, caracteristice pentru liganzi de tipul neurotransmitatorilor. In acest sens, acetilcolina se leaga de receptorii din membranele postsinaptice ale fibrelor musculare, determinand cresterea permeabilitatii membranei pentru ionii din mediul extracelular.

2- Inducerea de endocitoza, care se produce cand ligandul este o substanta endogena, vehiculata pe cale umorala.

3- Patrunderea din mediul extracelular a unor ioni cu functie de mesageri de ordinul II. Astfel, ionii de calciu patrund in celula dupa ce neurotransmitatorii se leaga de receptorii din membranele post sinaptice ale jonctiunii neuromusculare.

4- Activarea unor enzime din membrana celulara. Se produce cand liganzii sunt hormoni hidrofili. Asfel se activeaza adenilat ciclaza ce va cataliza sinteza, pe fata interna a membranei, a adenozin 3 monofosfatului ciclic (AMP-c) sau va determina fosforilarea proteinelor celulare. Activarea adenilat ciclazei se realizeaza cu ajutorul unor proteine reglatoare.(Fig.3.22)

Dupa activarea adenilat ciclazei, in citosol creste cantitatea de AMP-c (considerat mesager de ordinul II) , amplificandu-se semnalul hormonal. Totodata se activeaza si o proteinkinaza care controleaza fosforilarea mai multor molecule proteice, stimuland procesele metabolice din celula. Sinteza de AMP-c poate fi blocata de unele prostaglandine care actioneaza prin inhibarea actiunii adenilat ciclazei.

In unele maladii este implicata, in mod direct disfunctia receptorilor din membrana. Astfel, in 'miasthenia gravis' este inactivat receptorul pentru acetilcolina de la nivelul placii neuromusculare, iar in hipercolesterolemia genetica sunt absenti sau nefunctionali receptorii pentru colesterol.

Fig.3.22. Activarea unor enzime din membrana celulara

Exista afectiuni ale receptorilor care constau in blocarea functiei autoimune prin autoanticorpi antireceptori. Asfel, autoanticorpii pentru receptorii de insulina pot actiona ca insulinomimetici (activand receptorii) sau ca blocanti ai acestora (in diabetul insulinorezistent). Autoanticorpii care stimuleaza receptorii dopaminei pot constitui cauze ale scizofreniei, iar imunoautoanticorpii beta adrenergici sunt implicati in afectiunile asmatice. In procesul de imbatranire si in unele boli neuropsihice (la om) s-a observat o modificare a densitatii receptorilor.

3.6.Schimburile prin membrana

Prin membrana celulara se efectueaza schimbul de substante, fie prin traversarea diferitelor structuri ale acesteia, sau pe calea transportului in masa, cu ajutorul veziculelor, furnizate de membrana celulara.

bistratul lipidic functioneaza ca o bariera de difuziune pentru apa si alte molecule hidrofile, in timp ce moleculele liposolubile, oxigenul si bioxidul de carbon il trec cu usurinta.

3.6.1.Transportul transmembranar

Realizeaza schimburile de molecule mici si ioni (de unde si denumirea de microtransport) intre celula si mediul extracelular. Indeplineste urmatoarele functii:

Preia din mediul extracelular o serie de combustibili metabolici necesari mentinerii vietii celulei si activitatilor ei metabolice;

Elimina in mediul extracelular compusi fiziologici necesari organismului (substante secretate), precum si substante toxice toxice , rezultate din activitatea celulei;

Regleaza volumul celulelor;

Asigura mentinerea ph-ului intracelular si compozitia ionica la valori cat mai favorabile desfasurarii activitatii metabolice celularte;

Produce diferente de concentratii (gradiente ionice), care permit desfasurarea unor activitati biologice complexe, cum sant excitabilitatea nervului si a muschiului.

In functie de mecanismele care intervin in miscarea moleculelor prin membrana celulara se deosebesc doua forme de transport : a-transportul activ si b- transportul pasiv. (Fig.3.23).

3.6.11.Transportul pasiv

Realizeaza trecerea moleculelor mici in sensul gradientului de concentratie, iar a ionilor in sensul gradientului electrochimic. Se face fara consum de energie, fiind independent de metabolismul celular.

Exista doua modalitati de realizare a transportului pasiv prin: difuziune simpla si prin difuziune facilitata.

Transportul pasiv prin difuziune simpla. Se face lent, intrucat restructurarea permanenta a membranelor biologice este o dificultate pentru difuziune.Este supus legilor difuziunii si osmozei, fiind dependent numai de forte fizice.(Fig.3.23)

Fig.3.23. Transportul transmembranar.

1-Bistrat lipidic;2-Proteine transmembranare;

3-Molecule transportate;4-Difuziune simpla;5-Difuziune facilitata; 6-Transport activ;

7-Sensul gradientului electrochimic.

Moleculele mici liposolubile difuzeaza prin bistratul lipidic, iar cele hidrosolubile trec prin orificii mici canale sau pori hidrofili situati in bistrat, delimitati de proteine transmembranare. Canalele transmemebranare au un diametru de 1 nm, fiind specializate si selective. Vasopresina stimuleaza transportul prin canale si pori marindu-le diametrul pana la 2-3 nm.

Fig.3.24. Transportul prin canale si pori.

1-Por; 2-Bistrat lipidic; 3-Proteine transmembranare; 4-Ion.

Transportul prin difuziune faciliata. Este mult mai rapid (de cca.100.000 ori) decat cel prin difuziune simpla, permitand trecerea prin membrana a unor substante greu solubile in lipide si cu o masa moleculara relativ mare. Se intalneste frecvent la hepatocite,unde, in acest mod,

se transporta glucoza,aminoacizi,etc.(Fig.3.24.)

Fig.3.25.Tranportori de tip canal si caraus.

1-Bistrat lipidic; 2-Canal; 3- Caraus sau tranportor mobil.

Se realizeaza cu ajutorul unor molecule proteice din compozitia membranei cu rol de carausi. Astfel, pe membrana hepatocitului exista 800.000 de carausi, iar fiecare caraus transporta 100 molecule de glucoza pe secunda.

Transportul prin difuziune facilitata se efectueaza in sensul gradientului de concentratie si duce la echilibrarea concentratiilor pe ambele fete ale membranei, insa viteza de transport este direct proportionala cu concentratia lor. In raport cu numarul speciilor transportate exista transport uniport, simport si antiport.

Fig.3.26. Tipuri de transport, in functie de sens si numarul speciilor transportate

1-Bistrat lipidic; 2-Proteina transportor; 3-Molecule transportate; 4-Uniport: 5-Sinport;6-Antiport.

3.6.1.2.Transportul activ

Se realizeaza impotriva gradientelor de concentratie sau a gradientelor electrochimice, producand o crestere a concentratiei pe o fata a membranei. Solicita cheltuiala de energie, care este furnizata de metabolismul celular, fiind metabolic dependent. Unele celule inalt diferentiate (fibre musculare, neuroni) isi procura energia necesara transportului pe cale aeroba, prin producere de ATP. Hematiile isi produc moleculele de ATP necesare pentru transport prin glicoliza.

Exista mai multe tipuri de transport activ, in functie de modul in care este folosita energia:

1-Tranportul activ prin pompe ionice, in care proteinele ce efectuiaza transportul folosesc direct energia din ATP, avand proprietati ATP-azice ( de descompunere a ATP-ului).

2-Trasportul cuplat (sau cotransportul), in care se foloseste energia gradientelor ionice, substantele de transportat (glucide, aminoacizi) fiind cuplate cu unii ioni (Na

3-Translocarea de grup, intalnita la unele bacterii, care folosesc ca sursa de energie fosfoenolpiruvatul.

Transportul prin pompe ionice.

Pompele ionice sunt protein-enzime din compozitia plasmalemei care transporta ionii intr-o directie termodinamica nefavorabila, impotriva gradientului electrochimic sau de concentratie.

In organism se cunosc pompe transportoare pentru ioni sau cationi,existand pompe pentru un singur ion (Ca²⁺sau Mg²⁺) sau pentru doi ioni (pompa de Na⁺si K⁺).(Fig.3.26)

Pompa de Na⁺ - K⁺ este ce a mai bine cunoscuta.

Fig.3.27. Organizarea moleculara a pompei ionice de Na⁺ - K⁺

1-Plasmalema;

a -Proteine transmembranare

In conditii normale, ionul de potasiu (K⁺) se gaseste intr-o concentratie mai mare (de cca. 15 ori)intracelular, in timp ce ionul de sodiu (Na⁺) are o concentratie mai mare extracelular. Gradientele ionice (diferentele de concentratii) sunt mentinute printr-un sistem special de transport, denumit pompa de Na⁺-K⁺.

Pompa de Na⁺-K⁺ a fost studiata pe membranele hematiilor, unde s-a constatat o deplasare concomitenta a Na⁺ extracelular (spre o concentratie mai mare), iar a K⁺ intracelular (tot spre o concentratie mai mare), contrar gradientelor de concentratie. Energia necesara acestui transport se obtine prin hidroliza ATP-ului, care este realizata de catre o enzima din plasmalema, denumita Na⁺-K⁺-ATP-aza, deoarece actioneaza numai in prezenta ionilor de Na⁺,K⁺ si a unei concentratii favorabile de Mg²⁺. Aceasta enzima este o glicoproteina mare, un tetramer cu o greutate moleculara de 270.000 daltoni.

Pompa de Ca²⁺ sau Ca²⁺-ATP-aza asigura transportul ionilor de Ca²⁺ prin sistemul de membrane ale reticulului endoplasmic din fibrele musculare.

Exista si pompe pentru anioni, precum pompa de clor (Cl^-) din celulele parietale ale glandelor gastrice sau pompa de iod (I^-) din tiroida.

Transportul cuplat (sau mecanismul de pompare moleculara) utilizeaza, pentru transportul unor molecule (glucoza, aminoacizi), energia care rezulta din miscarea Na⁺ impotiva gradientului de concentratie si al gradientului electric. Aceasta energie poate fi folosita pentru introducerea in celula a unor substante nutritive. (Fig.3.28).

Fig.3.28.Transportul cuplat prin pompare moleculara.

Glucoza este pompata din mediul extracelular in celule (enterocite sau nefrocite) odata cu ionii de Na ⁺ cu ajutorul unei unitati proteice de transport. Dupa patrunderea in celula, glucoza se decupleaza de ionii de Na⁺ , care sunt pompati in afara celulei printr-o Na⁺-K⁺-ATP-aza.

3.6.2. Transportul in masa

Este procesul prin care celulele preiau din mediul extracelular particule de natura diferita, prin formarea de vezicule pe seama membranei celulare. In functie de directia in care se deplaseaza veziculele deosebim trei tipuri de transport in masa: 1-exocitoza; 2-endocitoza; si 3-transcitoza.

3.6.2.1. Exocitoza

Exocitoza este procesul prin care celulele isi descarca in mediul extracelular produsele secretate sau alte materiale pemtru export. Produsele pentru export se colecteaza in vezicule intracitoplasmatice (vesicula cytoplasmatica, care se deplaseaza dinspre complexul Golgi spre membrana celulara, fie in mod spontan, fie dupa stimularea celulei de catre unii factori secretagogi (hormoni, neurotransmitatori, factori de eliberare). Deschiderea veziculelor si eliminarea continutului in spatiul extracelular se datoreste contractiei microfilamentelor, in prezenta moleculelor de ATP , de AMP-c sia ionilor de Ca²⁺.In celulele exocrine, exocitoza este limitata la domeniul apical (luminal) al plasmalemei.

Fig.3.29.Transportul prin vezicule (in masa).

A-Endocitoza; B-Exocitoza; C-Transcitoza.

1-Plasmalema; 2-Fagozom; 3-Lizozom primar; 4-Lizozom secundar;5-Vezicule   de secretie; 6-Vezicule de transport.

Exocitoza este prezenta si la nivelul sinapselor, unde veziculele ce contin mediatori chimici (acetilcolina, noradrenalina) fuzioneaza cu membrana presinaptica. Mediatorii sunt eliberati in spatiul sinaptic, dupa care se leaga de receptorii specifici din membrana postsinaptica, producand depolarizarea ei si transmiterea influxului nervos.

3.6.2.2. Endocitoza

Endocitoza este procesul prin care celulele preiau din mediul extracelular molecule mari ( cu greutate moleculara mai mare de 10.000 daltoni), prin intermediul unor vezicule, care se formeaza din membrana celulara. In acest fel se poate realiza nutritia celulei, purificarea mediului extracelular si unele procese de aparare imunitara.

Dupa natura materialului endocitat si dupa modaliatea de ingestie se disting doua tipuri de endocitoza: 1-fagocitoza (de la grecescul phagein= a manca) sau endocitoza de molecule si particule solide,microorganisme (bacteriene sau virale), macromolecule alterate, detritus celular, celule intregi, etc. neinsotite de fluid; 2- pinocitoza ( de la grecescul pinein= a bea) sau endocitoza de fluid, ce contine molecule sau particule.

3.6.2.2.1.Fagocitoza

In conditii normale si patologice, pot participa la fagocitoza un mare numar de tipuri celulare, denumite generic fagocite. In functie de marimea particulelor pe care sunt capabile sa le inglobeze, se disting microfage, care inglobeaza numai particule mici (exemplu neutrofilele) si macrofage, care inglobeaza particule mari, existand macrofage mobile ( monocitele circulante) sau macrofage fixe (histiocitele din tesutul conjunctiv, celulele Kupffer din ficat, celulele capilarelor sinusoide din splina, unele celule din maduva osoasa hematogena, din limfonoduri, din pulmon,etc.).

Fagocitele prezinta pe suprafata membranei regiuni specializate purtatoare de receptori, cu ajutorul carora recunosc ceea ce este 'self' (macromoleculele proprii organismului) de ceea ce este ''non self', adica macromoleculele straine de organism, denumite generic antigen. Dintre macromoleculele self, receptorii pentru fagocitoza rercunosc ceea ce este sanatos de ceea ce este alterat ( self alterat: celule degenerate, celule maligne, celule imbatranite, resturi tisulare). In unele situatii patologice, receptorii celulelor ce intervin in fagocitoza pierd capacitatea de a diferentia self-ul de non-self , actionand, asfel, impotriva proteinelor din organismul propriu si determinand aparitia reactiilor autoimune, care pot genera o serie de entitati patologice.

Recunoasterea antigenilor in organism este inlesnita de prezenta in mediul extracelular a unor proteine, denumite opsonine. Opsoninele sunt proteine extracelulare care mediaza si faciliteaza legatura intre receptorii membranei fagocitelor si antigenele ce vor fi fagocitate, formand complexe antigen-opsonine.

Se cunosc mai multe tipuri de receptori ai complexelor antigen-opsonina, precum: - receptorii Fc, care leaga de suprafata membranei antigenele opsonizate cu imunoglobuline G ( Ig G), dupa ce au recunoscut fractiunea cristalizabila (Fc) a imunoglobulinei G.; - receptorii C_3, care reconosc si fixeaza antigenii opsonizati cu cel de al treilea component al complementului.

In membrana fagocitelor, in afara de receptoriii pentru complexe opsonizate, s-au mai descris receptori nespecifici care recunosc si fixeaza selful alterat, reprezentat de resturi celulare sau celule maligne.

Fagocitoza se desfasoara in patru etape:chemotaxia,opsonizarea, ingestia si digestia.

Chemotaxia este proprietatea unei celule mobile (in czul de fata a neutrofilelor) de a se deplasa prin tesuturi catre particule tinta, ca raspuns la diversi stimulli dupa ce tinta a fost recunoscuta. Semnalele chemotactice sunt reprezentate de: substante bacteriene (proteine, lipide), proteine serice, componente ale complementului (15 proteine serice, care amplifica raspusul imun), produse ale limfocitelor (limfokine), factori eliberati de neutrofile.

Opsonizarea consta in acoperirea bacteriilor sensibilizate de anticorpi pentru a fi fagocitate. Principalele opsonine sunt anticorpii, in special imunoglobuline (Ig₁, Ig₃) si componente ale complementului (C₃, C₅). Fractiunea cristalizabila (Fc) a imunoglobulinei G este recunoscuta de receptorii Fc de pe suprafata neutrofilelor. (Fig.3.30)

Fig.3.30. Opsonizarea si fagocitarea.

Ingestia microorganismelor are loc dupa ce acestea au fost opsonizate. Complexul antigen-opsonine este recunoscut de receptorii de la suprafata fagocitelor si legat de membrana celulara, determinand activarea receptorilor. In urma activarii receptorilor, actina din citoscheletul membranei,se contracta, determinand emiterea de pseudopode. Pseudopodele inconjoara strans particula si in acest fel se realizeaza interactiuni receptor- particula pe toata suprafata ei. Mecanismul de fixare a particulei de membrana psedupodelor este comparat cu inchiderea unui fermoar. Extremitatile pseudopodelor inconjoara particula si formeaza o vezicula, denumita fagozom.(Fig.3.31.)

In citoplasma, fagozomul se uneste cu un lizozom , formandu-se un fagolizozom, in care hidrolazele acide vor actiona asupra particulei straine, producand digestia acesteia. In cazul neutrofilellor, contopirea granulelor azurofile primare (a lizozomilor) cu fagozomul si eliberarea continutului lor in fagolizozom (sau vezicula digestiva) se manifesta prin disparitia granulelor din citoplasma,fenomen cunoscut ca degranularea neutrofilelor.

Fig.3.31.Mecanisme le fagocitozei.

A-Mecanisme moleculare;

B-Realizarea fagozomilor.

1- ImunoglobulinaG;

2-Receptor inactiv;

3-Receptor activat;

4-Proteina

contractila din citoschelet;

5-Pseudopode;

6-Fagozom.

Digestia intracelulara a particulelor fagocitate are loc in lizozomi si se produce prin: -sisteme dependente de oxigen, mediate de enzime (mieloperoxidaza, superoxidismutaza); si - prin sisteme independente de oxigen ,ce presupun actiunea lizozimului, a lactoferinei,etc..

3.6.2.2.2.Pinocitoza sau endocitoza particulelor in faza fluida.

Pinocitoza reprezinta procesul de transport in masa a unei cantitati variabile de fluid tisular, impreuna cu particulele pe care le contine, prin intermediul unor vezicule (vezicula pinocitocica), denumite pinozomi.

Se intalneste la toate tipurile de celule, aparand ca o modaliatate importanta prin care celulele capteaza din lichidul intercelular substantele necesare metabolismului lor.

Se deosebesc doua forme de pinocitoza in functie de mecanismele care intervin in procesul de preluare a sustantelor: - pinocitoza fara receptori si - pinocitoza mediata de receptori.

Pinocitoza fara receptori este endocitoza cea mai frecvent intalnita la acele celule din organism, care folosesc pentru transport suprafete mari nespecializate din membrana plasmatica.. Preluarea substantelor cu ajutorul veziculelor se face fara o legare prealabila a lor de membrana celulara prin receptori.

Pinocitoza se desfasoara in mai multe etape:

1-Contactul particulelor din fluidul tisular produce activarea unor puncte de pe suprafata celulei , denumite situsuri anionice. Acest proces induce agregarea microfilamentelor din citoscheletul membranei, producand cresterea flexibilitatii membranei celulare.

2-Membrana celulara se invagineaza formand cripte sau canale intracelulare (invaginatio cellularis), in care intra lichid extracelular, impreuna cu particulele prezente in el.

3-Membranele din vecinatatea extremitatii profunde a canalului se alipesc,fuzioneaza si apar pinozomii (vesicula pinocytotica), vezicule ce se desprind de canal si sunt antrenate de curentii intracitoplasmatic.

4-Pinozomii fuzioneaza cu lizozomii, formand pinolizozomii, in care enzimele lizozomale produc digestia materialelor preluate din exteriorul celulei.

In functie de marimea particulelor inglobate prin pinocitoza se distinge o micropinocitoza si o-macropinocitoza.

Macropinocitoza este modalitatea de transport a unor particule mari vizibile la microscopul optic. Poate fi studiata prin injectarea "in vivo" de coloranti vitali, care se fixeaza de proteinele serice. Complexele formate din proteine serice si colorantii vitali coloidali sunt introduse in citoplasma impreuna cu mici cantitati de lichid extracelular, fiind utilizate ca indicator de recunoastere a celulelor care manifesta proprietate de pinocitoza la nivelul organelor si tesuturilor.

Micropinocitoza reprezinta modalitatea de transport a moleculelor mici cu ajutorul veziculelor , vizibile numai la microscopul electronic.

Urmarindu-se soarta veziculelor pinocitate, s-a observat ca acestea pot: 1- ramane in citoplasma, unde fuzioneaza cu lizozomii, in care sunt digerate, iar dupa ce si-au descarcat continutul, membranele lizozomale sunt reintegrate in membrana celulara; 2- traversa citoplasma fara a fuziona cu lizozomii, descarcandu-si continutul pe cealalta fata a citoplasmei.

Pinocitoza mediata de receptori.

Se mai numeste si pinocitoza absorbtiva, selectiva sau concentrativa. Este modalitatea de preluare din mediul extracelular a unor materiale diferite, prin folosirea unor zone specializate ale membranei celulare, prevazute cu receptori.

Receptorii recunosc si leaga de membrana particule diferite. Fiind mobili receptorii se grupeaza la nivelul unor zone specializate ale membranei celulare, care se invagineaza formand caveolele (vesicula superficialis s. caveola) acoperite, deoarece sunt acoperite pe versantul citoplasmatic de o retea de microfilamente, formate dintr-o proteina, denumita clatrina. Reteua de clatrina stabilizeaza pozitia receptorilor si mentin caveolele in comunicare cu mediul extracelular.(Fig.3.32.)

Fig.3.32. Pinocitoza mediata de receptori.

1-Plasmalema; 2-Receptori mobili;3-Ligand; 4-Complex ligand receptor;

5-Caveola acoperita cu clatrina; 6-Receptozom; 7-Nucleu; 8-Complex Golgi; 9-Lizozom.

Caveolele acoperite care fixeaza complexele particula-receptor (sau ligand-receptor) sunt inglobate rapid impreuna cu o cantitate mica de fluid extracelular sub forma de vezicule care pot sa-si pastreze mantaua de clatrina pe fata lor externa (vezicule acoperite) sau microfilamentele de clatrina se desprind la nivelul membranei, in acest caz aparand vezicule netede sau receptozomi.

Particulele inglobate prin pinocitoza mediata de receptori pot fi degradate in lizozomi sau in unele cazuri, receptozomii traverseaza citoplasma fara sa interactioneze cu lizozomii, fiind eliminate pe cealalta fata a celulelor.

Spre deosebire de pinocitoza fara receptori, in care concentratia substantelor in veziculele endocitate este aceeasi ca in lichidul extracelular, in veziculele acoperite , ce apar in pinocitoza mediata de receptori, concentratia substanltelor este mult mai mare decat in lichidul extracelular, datorita capacitatii receptorilor de a lega selectiv un numar mare de particule.

Implicatii patologice. Pinocitoza mediata de receptori este o modalitate folosita pentru preluarea din lichidul extracelular si din sange a colesterolului, o lipoproteina cu densitate mica. In situatii normale, celulele prevazute cu receptori pentru proteine cu densitate mica preiau colesterolul din mediul extracelular. Lipsa acestor receptori, intalnita in unele deficiente genetice, face imposibila preluarea moleculelor de colesterol din sange, determinand o crestere a concentratiei acestuia (hipercolesterolemie) si aparitia de placi aterosclerotice in peretele vascular.

Fig.3.33. Schematizarea modalitatilor de transport prin celula endoteliala.

(dupa SIMIONESCU-1981)

3.6.2.3.Transcitoza

Transcitoza sau citopemsis reprezinta o forma aparte a transportului prin vezicule, prin care se realizeaza transportul macromoleculelor prin celule endoteliului capilar. A fost studiata de Palade (1953), care a observat, cu ajutorul microscopului electronic, vezicule ce traverseaza celulele endoteliale,ralizand schimburi intre plasma si lichidul interstitial.

Transportul veziculelor pinocitate se poate realiza prin doua modalitati: 1-transcitoza distributiva, in care trecerea se face sub forma unor siruri de vezicule intracitoplasmatice, ce se intind de la fata luminala la fata bazala, fara a ajunge in contact cu lizozomii; si 2-transcitoza conectiva, in care transportul se face prin canale ce se formeaza fie prin fiziunea veziculelor, fie prin invaginarea plasmalemelor.