Scientia

O scurtă prezentare video a principalelor părţi componente ale celulei şi rolului funcţional al acestora. Veţi afla despre sinteza proteinelor, transportul lor la nivel celular, dar şi cum se produce energie în interiorul mitocondriilor şi cloroplastelor.

INTRODUCERE

Articolul de faţă inaugurează o serie de articole care îşi propune descifrarea câtorva dintre cele mai importante componente şi mecanisme din interiorul acestei fascinante maşinării care este celula. Deşi vom vorbi despre celule în ansamblu, vom face câteva referiri şi la cazul particular al celulelor plantelor, în încercarea de a lămuri mecanismul fotosintezei. Vom vorbi despre mecanismele transcripţiei şi translaţiei, despre reciclarea proteinelor şi transportul acestora în interiorul celulei, despre ATP şi mecanismele de producere a energiei la nivelul mitocondriilor, despre aşa-numita respiraţie celulară şi lanţul transportor de electroni, dar şi despre alte procese biologice care se petrec la nivelul celulei.  Este momentul să ocupăm locuri într-unul din submarinele noastre celulare şi să începem cu un tur virtual al acestui fascinant microunivers.

Părţile componente ale celulei

NUCLEUL CELULEI. ADN-ul şi ARN-ul

Călătoria noastră începe cu nucleul celulei, reprezentat printr-un obiect albastru de mari dimensiuni, prevăzut cu o mulţime de mici orificii galbene. Nucleul este unic identificabil prin intermediul sistemului de pori cu care este prevăzută membrana sa exterioară. Materialele biologice călătoresc în şi dinspre nucleu prin aceşti pori. Ei reprezintă canalul de comunicaţie între microuniversul dinăuntrul nucleului şi citoplasma celulară. Nucleul conţine marea majoritate a ADN-ului unei celule. ADN-ul conţine toată informaţia genetică necesară ducerii la bun sfârşit a funcţiunilor celulei, dar şi a bunei funcţionări a ţesuturilor şi organelor în cadrul cărora celulele pot fi găsite. Această informaţie este pusă în mişcare la început prin intermediul unui proces numit transcripţie.

Interiorul celulei virtuale
(recomandăm vizionarea pe tot ecranul pentru o afişare optimă)

Turul nostru virtual continuă în interiorul nucleului, unde aruncăm o scurtă privire asupra procesului transcripţiei. Pe parcursul transcripţiei, ADN-ul este folosit ca o matriţă pentru producerea ARN-ului. Filmul de mai sus înfăţişează desfăşurarea acestui proces. Produsul final al transcripţiei constă într-unul din cele trei tipuri de molecule de ARN: ARN mesager (sau ARNm), ARN de transfer (sau ARNt) sau ARN ribozomal (ori ARNr). Toate acestea reprezintă componente importante ale procesului numit translaţie, în urma căruia sunt produse proteinele. Dacă urmărim în cadrul secvenţelor video produsul final (ARNm-ul) părăsind nucleul celulei, îl putem vedea în acţiune pe parcursul translaţiei.

SINTEZA PROTEINELOR. RIBOZOMUL

Sinteza proteinelor are loc la nivelul unui organit celular care poartă numele de ribozom. Este format, în parte, din ARNr-ul despre care tocmai am vorbit. Ataşat de acesta putem observa ARNm-ul. Când începe translaţia, o moleculă de tip ARNt se leagă de acesta şi livrează secvenţa caracteristică aminoacidului corespunzător. Pe măsură ce proteina creşte ca dimensiune şi alţi aminoacizi sunt poziţionaţi la locul corect în cadrul proteinei de către moleculele de ARNt corespunzătoare. Secvenţele specifice de ARNt sunt determinate pe baza codonilor (coduri de 3 nucleotide) care se găsesc în ARNm. Proteinele sunt tocmai produsul final al procedurii de translaţie.

Celula virtuală - galerie foto
Credit: NDSU Virtual Cell

RETICULUL ENDOPLASMATIC ŞI APARATUL GOLGI

Deşi unele dintre aceste proteine rămân în interiorul citoplasmei, altele sunt transportate în diferite locuri în interiorul celulei, iar unele chiar în afara acesteia. Majoritatea acestor operaţii de transport al proteinelor implică reticulul endoplasmatic şi aparatul Golgi. Ne vom îndrepta în continuare atenţia asupra reticulului endoplasmatic. Unii dintre ribozomii celulei sunt ataşaţi de reticulul endoplasmatic şi proteinele produse la nivelul acestora sunt direct inserate în spaţiul liber din interiorul reticulului endoplasmatic. Aceste proteine pot fi împachetate sub forma unor vezicule care părăsesc reticulul endoplasmatic şi migrează spre aparatul Golgi. Aici, veziculele fuzionează şi dau naştere unei "cisterne" Golgi, proteinele fiind localizate în interiorul membranei acestei aşa-numite cisterne. Pe măsură ce cisterna ajunge la maturitate, enzimele din interiorul său pot modifica proteina. Această modificare dă naştere unei "etichete" moleculare folosită pentru a direcţiona proteina către o poziţie specifică în interiorul celulei. În cele din urmă cisterna se va transforma în reţeaua trans-Golgi.

De aici veziculele pot distribui proteinele către anumite poziţii din interiorul celulei precum endozomul sau membrana celulară, acolo unde proteinele pot fi încorporate ori de unde pot fi transportate în afara celulei. Odată proteinele obţinute în urma translaţiei, ele pot fi şi livrate spre alte organite celulare, precum mitocondriile şi cloroplastul.

Transportarea spre aceste organite se face prin intermediul unui alt proces intracelular. Unele proteine sunt produse cu peptide de tranzit. Acestea sunt secvenţe specializate situate la capătul proteinei şi recunoscute de către porii membranei mitocondriale. Cu ajutorul suplimentar al altor proteine specializate, proteina este transportată în interiorul organitului. Transportul către cloroplaste presupune o procedură similară.

MITOCONDRIILE ŞI CLOROPLASTELE. LANŢUL TRANSPORTOR DE ELECTRONI

Mitocondriile şi cloroplastele sunt organite la nivelul cărora au loc procese celulare remarcabile. Pentru început ne vom îndrepta atenţia către mitocondrii. Acest organit produce ATP, o moleculă a cărei energie chimică internă este folosită în cadrul multor altor procese celulare. ATP-ul este obţinut prin intermediul unui complex situat în membrana mitocondrială şi numit sintază ATP. Energia necesară producerii ATP-ului este furnizată de către un gradient protonic (adică de ioni de hidrogen) generat la nivelul celor două feţe ale membranei. Aşa cum se poate vedea în film, protonii se deplasează dinspre zona cu concentraţie mare, prin sintaza ATP, către zona cu concentraţie mică. Pe măsură ce aceştia se deplasează la nivelul sintazei, este produs ATP-ul.

Acest gradient de ioni de hidrogen ia naştere datorită acţiunii lanţului transportor de electroni. Când electronii trec de la un transportor la altul în cadrul lanţului, protonii sunt pompaţi de o parte şi de alta a membranei mitocondriale. Acest fenomen generează gradientul electrochimic necesar producţiei de ATP.

Un organit prezent doar în celulele plantelor este cloroplastul. La nivelul său energia solară este convertită în energie chimică stocată sub formă de ATP. La fel ca în cazul lanţului transportor de electroni, electronii trec de la un transportor la următorul şi protonii sunt pompaţi de partea cealaltă a membranei. Astfel ia naştere un gradient electrochimic folosit pentru a obţine ATP cu ajutorul unui complex similar sintazei ATP. Procesul începe cu un foton care produce energia necesară eliberării unui electron pe lanţul transportor. Puteţi vedea în secvenţele video cum electronul trece de la un transportor la următorul, dar şi cum ia naştere ATP-ul la nivelul sintazei ATP.

Cum funcţionează celula? (2). Transcripţia

____________
Notă: articolul de mai sus este adaptarea textului folosit în film.
Traducerea şi adaptarea: Scientia.ro.
Credit: http://vcell.ndsu.nodak.edu/