Stiri Online, Enciclopedie, Revista presei

Tag archive

celule

TESUTUL EPITELIAL

in Biologie/Enciclopedie by

Ţesutul epitelial este caracterizat prin celule care au, in general forma paralelipipedica sau prismatica, cu foarte putina substanţa intercelulara, încât sunt strâns legate intre ele. In epitelii, substanţa intercelulara este deci o substanţa cimentată. Ţesutul epitelial se găseşte in organism, fie la suprafaţa, intrând in alcătuirea straturilor externe ale pielii, fie căptuşind unele cavităţi ale
corpului sau ale unor organe.

In ceea ce priveşte originea ţesutului epitelial, trebuie remarcat faptul ca el poate lua naştere din oricare dintre cele trei foite germinative. Astfel, cunoaştem epitelii de origine ectodermica, cum este epiteliul epidermic, ependimar, plexurile coroide etc. ; altele sunt de origine endodermica, cum este epiteliul diferitelor segmente ale tractului digestiv si epiteliului glandular al pancreasului exocrin, iar altele de origine mezodermica, cum este epiteliul care intra in alcătuirea pleurei, a peritoneului si a pericardului.

Celulele ţesutului epitelial prezintă o citoplasma densa, a cărei structura variază cu funcţia pe care o îndeplineşte epiteliul respectiv. Nucleul este bine dezvoltat si are o forma legata de forma celulei. După modul de grupare a celulelor, ţesuturile epiteliale se pot împărţii
in doua categorii :

– epitelii in care celulele sunt dispuse intr-un singur strat si, de
aceea, se numesc epitelii unistratificate sau epitelii simple (de exemplu, epiteliul bronhiilor mici);

– epitelii in care celulele sunt dispuse in mai multe straturi si, de aceea, se numesc epitelii stratificate (de exemplu, epidermul).

După aşezarea lor si după funcţia pe care o îndeplinesc, epiteliile se împart in patru categorii: epitelii de acoperire, epitelii glandulare, epitelii de resorbţie si epitelii senzoriale.

EPITELIILE DE ACOPERIRE

Sunt epiteliile care acoperă suprafaţa corpului sau căptuşesc cavităţile corpului sau ale unor organe. Ele sunt formate din celule turtite sau prismatice dispuse intr-un singur strat sau in mai multe straturi, alcătuind epitelii simple si epitelii stratificate.

Simplu sau stratificat, epiteliul de
acoperire se sprijină pe un ţesut conjuctiv numit corion, de care este separat printr-o membrana bazala, o formaţiune cu structura si grosime variabila. La partea libera, celulele epiteliale de acoperire au o membrana îngroşata numita cuticula. La unele epitelii cuticula este prevăzuta cu cili
sau flageli.

EPITELIILE DE ACOPERIRE SIMPLE Aceste epitelii se pot prezenta sub trei aspecte :

EPITELIUL SIMPLU PAVIMENTOS

In epiteliul simplu pavimentos, celulele sunt turtite, de forma unor lame (solzi), cu contur poligonal, si sunt dispuse intr-un singur strat având aspectul plăcilor unui pavaj (fig. 1). Ele sunt aşezate pe o membrana bazala care le solidarizează intre ele.

Acest epiteliu este destul de răspândit in organism. El se găseşte, de exemplu, in alcătuirea interna a vaselor sanguine si limfatice si a peretelui capilarelor sanguine si limfatice si se numeşte, in acest caz, endoteliu vascular ; celulele endoteliale sunt celule turtite cu contur sinuos, sprijinite pe o membrana bazala, cu suprafaţa libera foarte lunecoasa care ajuta mişcarea sângelui.

Endoteliul vascular al capilarelor realizează o mare suprafaţa de schimb intre sânge si spatiile intracelulare. Epiteliul simplu pavimentos se găseşte si in alcătuirea membranelor seroase (pleura, pericard, peritoneu), unde poarta numele de mezoteliu sau ţesut seromembranos.
Celulele mezoteliale sunt celule turtite cu contur sinuos. O membrana seroasa este formata din doua lame de ţesut conjuctiv.

EPITELIUL SIMPLU PRISMATIC

In epiteliul simplu prismatic celulele au forma prismatica sau cilindrica si sunt dispuse cu axul longitudinal perpendicular pe suprafaţa epiteliului. Acest epiteliu se găseşte in tubul digestiv, de la cardie pana la rect, in trompele uterine, in bronhiile mici si in canalele unor glande. Unele epitelii prismatice simple sunt prevăzute cu cili vibratili, cum sunt acelea din trompele uterine.

EPITELIUL PSEUDOSTRATIFICAT

Este tot un epiteliu simplu, ale cărui celule au insa forme si dimensiuni diferite si din aceasta cauza pa stratificate (fig. 3). Putem stabili destul de uşor ca e un epiteliu simplu, întrucât se sprijină pe membrana bazala. Un astfel de epiteliu se găseşte in trahee, in bronhiile mari, in mucoasa nazala,
respiratorie etc.

EPITELIILE DE ACOPERIRE STRATIFICATE După natura stratului superficial al epiteliului celui mai depărtat de membrana bazala, epiteliile de acoperire stratificate se pot grupa in doua categorii : epiteliul stratificat pavimentos si epiteliul stratificat prismatic.

EPITELIUL STRATIFICAT PAVIMENTOS

Epiteliul stratificat pavimentos este format din mai multe straturi de celule, dintre care stratul superficial, este alcătuit din celule pavimentoase (turtite). Celelalte staturi au celule cu forme diferite. De obicei, stratul cel mai profund este un strat generator, ale cărui celule se divid tangenţial si formează spre exterior straturi noi.

El se afla aşezat pe o membrana bazala. Epiteliul stratificat pavimentos se găseşte in piele, formând epidermul, in mucoasa bucala, esofagiana, laringiana, in uretra, cornee etc. Pentru epiderm este caracteristic faptul ca celulele cele mai superficiale se turtesc foarte mult si devin cornoase, desprinzându-se de pe
suprafaţa pielii, proces care se numeşte exfoliere (descuamare)

EPITELIUL STRATIFICAT PRISMATIC

Epiteliul stratificat prismatic este format din mai multe straturi de celule, stratul superficial fiind alcătuit din celule prismatice sau cilindrice, uneori prevăzute cu cili. Asemenea epiteliu este puţin răspândit in organism. Îl găsim la baza epiglotei si pe fata superioara a valului palatin etc.
Ţesuturile epiteliale de acoperire au rol de protecţie mecanica aşa cum este, de exemplu, cazul epidermului. Pot îndeplini insa si alte roluri destul de importante, ca, de exemplu, rolul de bariera, cum este cazul epiteliului vezicii urinare, care împiedica pătrunderea in organism a unor substanţe din urina.

EPITELIILE GLANDULARE

Epiteliile glandulare sunt formate din celule capabile sa producă anumite substanţe, pe care le elimina in mediul lor înconjurător. De obicei, celule glandulare se grupează, formând organe speciale numite glande ; uneori insa, ele rămân ca celule glandulare izolate printre celulele unor epitelii de acoperire ca, de exemplu, in epiteliul tractului digestiv sau in epiteliul
traheei, alcătuind celulele mucoase.

CELULE EXCRETOARE SI CELULE SECRETOARE

După felul cum funcţionează, celulele epiteliului glandular se pot împarţi in : celule excretoare si celule secretoare. Unele celule glandulare iau din mediul lor substanţe nefolositoare
provenite din metabolismul celular, pe care le elimina, fără sa le transforme ; acestea se numesc celule excretoare, iar glandele in alcătuirea cărora intra asemenea celule se numesc glande excretoare. Aşa sunt, de exemplu, glandele sudoripare.

Alte celule glandulare au caracteristic faptul ca iau din sânge anumite substanţe, din care elaborează alte substanţe, cu totul deosebite ; acestea poarta denumirea de celule secretoare, care formează glande secretoare, cum sunt glandele digestive si glandele endocrine.

GLANDELE EXOCRINE

Glandele exocrine sau glandele cu secreţie externa sunt caracterizate prin aceea ca produsul eliminat de celulele glandulare se scurge printr-un canal, fie afara din corp, fie intr-o cavitate a corpului. O glanda exocrina prezintă, in general, doua părţi : o parte formata din celule glandulare, care se numeşte adenomer si o parte formata dintr-un conduct, care se numeşte canal excretor.
După forma adenomerului, glandele exocrine se împart in trei categorii : glande tubuloase, glande acinoase si glande tubuloacinoase.

GLANDE TUBULOASE

Sunt caracterizate printr-un adenomer de forma tubulara care se deschide la suprafaţa unui epiteliu sau se continua cu un canal excretor. Glandele tubuloase pot fi simple sau ramificate.
Glandele tubuloase simple au adenomerul ca un tub simplu, neramificat.

La unele, adenomerul este drept (fig. 6, A), ca la glandele Lieberkuhn din mucoasa intestinului subţire. La altele, adenomerul prezintă extremitatea profunda răsucita in forma de ghem, purtând denumirea de glomerul (fig. 6, B); asemenea glande se numesc glande glomerate, cum sunt glandele sudoripare.

Glandele tubuloase ramificate au adenomerul tubulos, ramificat ca la glandele pilorice din mucoasa stomacala

GLANDELE ACINOASE
Se mai numesc si glande alveolare. Sunt caracterizate prin aceea ca adenomerul are forma unei vezicule dispuse la extremitatea interna a unui canal excretor, vezicula care se numeşte acin glandular. După numărul acinilor, glandele acinoase pot fi : simple sau compuse.

Glandele acinoase simple au adenomerul format numai dintr-un singur acin glandular, a cărui cavitate se continua cu canalul excretor (fig. 7, A) ; ca exemplu de glanda acinoasa simpla citam glandele sebacee mici. Glandele acinoase compuse sunt caracterizate prin existenta mai multor acini glandulari. După forma canalului excretor, aceste glande se împart in : glande acinoase compuse neramificate si glande acinoase compuse ramificate.

Glandele acinoase compuse neramificate au un canal excretor simplu, dar in lungul sau si la capătul intern se deschid numeroşi acini glandulari (fig. 7, C) : ca de exemplu citam glandele Melbomius, situate pe marginea ploapelor. Glandele acinoase compuse ramificate au canalul excretor ramificat, fiecare ramura terminându-se cu un acin. Forma acinilor este variabila.

De obicei, acinii acestor glande au forma alungita, intermediara intre tub
si vezicula, si atunci glanda se numeşte tubuloacinoasa (fig. 7, D) ; din aceasta categorie citam glanda parotida si pancreasul exocrin.

GLANDELE ENDOCRINE

Glandele endocrine sau glandele cu secreţie interna sunt organe formate din celule glandulare, care produc substanţe numite hormoni, cu rol foarte important in desfăşurarea funcţiilor organismului. Aceste glande se caracterizează prin aceea ca nu au un canal excretor prin care hormonul sa se scurgă din glanda.

In schimb, glandele endocrine au o puternica vascularizaţie, datorita căreia hormonul este luat de sânge, prin osmoza, si transportat in tot organismul. Aşezarea celulelor glandulare poate fi diferita. In unele glande, aceste celule formează vezicule in care se varsă hormonul, de unde este luat de sânge : astfel sunt dispuse celulele glandulare in glanda tiroida.

In alte glande, celulele glandulare formează cordoane, ca, de exemplu, in medulosuprarenala sau grămăjoare de celule, ca nişte insule, cum sunt dispuse in pancreas (insulele L angerbans).

Trebuie remarcat ca exista si celule glandulare capabile sa secrete doua feluri de produse : un produs, care pătrunde in sânge , si un alt produs care se varsă printr-un canal excretor ; acesta este cazul celulelor hepatice.

Ţesutul glandular este foarte răspândit in organism si joaca un rol foarte important in viata acestuia, atât prin substanţele de secreţie, care ajuta la îndeplinirea funcţiilor organismului, cat si prin substanţele de excreţie, care sunt substanţe vătămătoare organismului si trebuie deci eliminate.

EPITELIILE DE RESORBTIE

In procesul de resorbţie, celulele epiteliale primesc prin polul apical diferite substanţe care, după ce străbat celula, o părăsesc prin polul bazal, trecând in interstiţiile conjuctive, unde se găsesc capilarele sanguine. Membrana polului apical se caracterizează prin existenta aşa-numitului platou striat.

Microscopul electronic ne arata ca platoul striat este alcătuit din nişte microvilozitati (microvili), care nu sunt altceva decât expansiuni citoplasmatice. Acestea realizează o suprafaţa enorma de absorbtie. Astfel de epitelii întâlnim la mucoasa intestinului subţire, a tubilor urinari si la mezoteliul peritoneal.

EPITELIILE SENZORIALE

Sunt epitelii care s-au diferenţiat pentru a recepţiona excitaţii din mediul înconjurător. Ele sunt formate din doua feluri de celule : celule senzoriale si celule de susţinere.

1.Celulele senzoriale sunt celule epitelial care s-au diferenţiat pentru a recepţiona diferite informaţii din mediul înconjurător si a determina, prin aceasta, excitaţia celulelor nervoase cu care se afla in legătura.

Ele se găsesc, deci, in contact cu mediul înconjurător si cu celulele nervoase. Numai in aceste condiţii de dubla legătura celulele senzoriale pot funcţiona. Deşi au aceiaşi origine (ectoderma) ca si celulele nervoase, totuşi se deosebesc de acestea; in timp ce celulele senzoriale pot recepţiona excitaţii, dar nu le pot conduce, celulele nervoase pot sa conducă excitaţiile din mediu, dar nu le pot recepţiona ; datorita acestor deosebiri, cele doua feluri de celule se completează reciproc din punct de vedere funcţional.

Pentru a îndeplini aceasta funcţie, celulele senzoriale s-au diferenţiat din punct de vedere morfologic si structural. Celulele senzoriale s-au specializat pentru recepţionarea unor anumiţi
excitanţi si intra in alcătuirea organelor de simt. Se descriu mai multe tipuri de celule senzoriale care corespund diferitelor organe de simt :

Celulele senzoriale tactile se găsesc in pătura mucoasa a epidermului. Celula senzoriala tactila este o celula turtita paralel cu suprafaţa epidermului. Ea este in legătura cu terminaţiile nervoase intraepidermice si recepţionează excitaţiile mecanice din mediu.

Celulele senzorial gustative se găsesc in mugurii gustativi in epiteliul mucoasei linguale si sunt fusiforme. aceste celule sunt aşezate cu o extremitate pe membrana bazala a epiteliului, fiind înconjurata de terminaţii nervoase, iar extremitatea opusa se termina printr-un fir(cil). Celulele gustative recepţionează excitaţiile provocate de anumite substanţe (sapide) care se pot
solubiliza.

Celulele senzoriale auditive sau celulele senzoriale fonoreceptoare aparţin epiteliului din care este format organul Corti (din urechea interna).Celula fonoreceptoare are forma de para (piriforma) si este aşezata cu extremitatea subţiata spre membrana bazala, pe care n-o atinge ; extremitatea opusa, îndreptata spre suprafaţa organului Corti, este prevăzuta cu perişori rigizi care sunt proeminenţi pe suprafaţa acelui organ. Partea subţiata a celulei fonoreceptoare este înconjurata de terminaţiile nervoase ale ramurii cohleare a nervului acusticovestibular. Aceste celule sunt excitate de anumite vibraţii.

Celulele senzoriale statoreceptoare se găsesc in epiteliul petelor (maculelor) auditive din utricula si sacula, si in crestele auditive din ampulele canalelor semicirculare. Celula statoreceptoare prezintă asemănări cu celula auditiva, fiind tot piriforma. La extremitatea libera are peri lungi, uniţi intr-un mănunchi numit par acustic. Extremitatea subţire este înconjurata de terminaţii ale ramurii vestibulare a nervului acusticovestibular.

Au mai fost descrise ca celule senzoriale celulele olfactive si celulele vizuale. Trebuie insa sa remarcam ca aceste celule nu pot fi considerate ca celule senzoriale, pentru ca ele sunt celule nervoase.

2.Celule de susţinere. Al doilea constituent al epiteliilor senzoriale îl reprezintă celulele de susţinere. Acestea sunt celule epiteliale care se găsesc intre celulele senzoriale si au rol de protecţie . Epiteliile senzoriale joaca un rol foarte important in viata organismului, întrucât contribuie la realizarea relaţiilor lui cu mediul înconjurător.

Microbiologia

in Stiri online by

Microbiologia este ştiinţa care se ocupă cu studiul organismelor de dimensiuni reduse care nu pot fi vizibile cu ochiul liber. Acestea sunt reprezentate de alge, fungi, virusuri, viroizi, bacterii, prioni.

Etapele dezvoltării microbiologiei ca ştiinţă

1. Etapa intuitivă (din antichitate până în prima jumătate a sec. al XVII-lea)
În această perioadă se admite intuitiv existenţa microorganismelor. Se elaborează teoria contagiunii care susţine că bolile sunt provocate de particule numite “seminaria” – organisme vii capabile de multiplicare.

2. Etapa descoperirii bacteriilor şi studierii acestora (a doua jumătate a sec. al XVIII-lea – prima jumătate a sec. al XIX-lea)

Se fac primele studii privind morfologia bacteriană şi se încearcă clasificarea bacteriilor. Se descoperă microscopul, iar Ferdinand Cohn introduce termenul de bacterie şi scoate bacteriile din regnul animal şi le introduce în regnul vegetal datorită existenţei peretelui celular. Se inhibă teoria generaţiei spontanee care susţinea că procesele microbiologice se datorează forţelor divine.

3. Etapa dezvoltării microbiologiei ca ştiinţă

Această etapă este marcată de apariţia lui Louis Pasteur şi Robert Koch. L.Pasteur – chimist la bază, este considerat părintele microbiologiei.

Contribuţii importante:
-A demonstrat natura microbiană a fermentaţiilor.
-A studiat fermentaţia vinului şi a berii.
-A analizat fermentaţia lactică, butirică si a descoperit bacteriile anaerobe.
-A demonstrat că vinul încălzit la 600C îşi prelungeşte perioada de conservabilitate, procedeu cunoscut azi sub denumirea de pasteurizare, cu aplicaţii largi în industria alimentară.
-A demonstrat natura microbiană a infecţiilor. Bolile sunt produse de microorganisme capabile de multiplicare. Bolile se transmit de la un organism la altul pe diferite căi. A demonstrat că în cazul oilor moarte de antrax prezenţa bacteriilor nu reprezinta o consecinţă a bolii, ci acestea reprezintă chiar cauza acesteia.
-A pus bazele metodelor de sterilizare. Chirurgul englez Joseph Lister a introdus în medicină principiile asepsiei elaborate de Pasteur.
-A demonstrat că apariţia microorganismelor nu este una spontană. Dezvoltarea acestora pe un anumit substrat nutritiv se datorează contaminării cu microorganisme existente în apă, sol, aer, diverse suprafeţe.
-A descoperit vaccinul împotriva antraxului şi vaccinul antirabic. Se studiază şi se descoperă toxinele bacteriene. Charles Eduard Chamberland a descoperit filtrele bacteriene şi a inventat autoclavul.
Robert Koch este considerat al doilea întemeietor al microbiologiei, dar fără a avea geniul lui Pasteur. Contribuţii importante:
-A elaborat principiile pe baza cărora un microorganism este considerat agentul etiologic al unei boli. De aici rezultă postulatele lui Koch care se refera la:
– indivizii bolnavi sau morţi trebuie să prezinte aceleaşi simptome clinice, iar microorganismele în cauză trebuie să se regasească în cazul ambelor categorii;
– microorganismele să se poata izola în culturi pure;
– prin inoculare la animale sensibile să producă o infecţie identică sau asemanatoare cu infecţia naturală.

– A reuşit izolarea microorganismelor în culturi pure. O cultură pură se obţine atunci când pe un substrat nutritiv se devoltă o singură specie microbiană. Exemplu: în cazul pacienţilor cu salmoneloză, în fecalele acestora, salmonela coexista cu mai multe specii microbiene. Pentru a stabili agentul etiologic al bolii este necesară izolarea în culturi pure. Acest lucru a fost posibil odata cu introducerea mediilor solide pe suprafaţa cărora se dezvoltă coloniile bacteriene.
– Studiul reacţiei alergice şi a tuberculinei, substanăa revelatoare folosită pentru stabilirea diagnosticului de tuberculoză la om.

– A elaborat numeroase vaccinuri şi a studiat agentii etiologici ai diferitelor boli.

4. Etapa contemporană a dezvoltarii microbiologiei

S-au adus contribuţii importante privind studiul microorganismelor si proceselor fiziologice ale acestora.

S-au descoperit noi grupe de microorganisme şi s-a facut încadrarea taxonomică a acestora.
S-a introdus în practica medicală utilizarea unor grupe noi de antibiotice si chimioterapice.
S-au înregistrat progrese privind genetica bacteriană.
In paralel cu dezvoltarea microbiologiei ca ştiinţă s-a dezvoltat şi imunologia.

I. Mecinikov este considerat părintele imunologiei. A descoperit fenomenul de fagocitoză prin studierea digestiei la echinoderme. A subliniat faptul că la nivelul tubului digestiv există celule care au capacitatea de a îngloba particule străine, nedigerabile sau microorganisme. Aceste celule au fost denumite fagocite.

S-a dezvoltat şi virusologia în paralel cu microbiologia şi imunologia. Dimitri Ivanovski este cel care a studiat microorganismele din sol şi a demonstrat rolul acestora în fertilitate. Este cel care a descoperit virusurile filtrabile.

In ţara noastră se remarcă contribuţia lui Victor Babeş – considerat întemeietorul şcolii de microbiologie româneşti. A colaborat cu Mecinikov şi a elaborat primul tratat de bacteriologie din lume. A adus contribuţii importante în dezvoltarea seroterapiei. A descoperit corpusculii Babes-Ernst. A elaborat numeroase vaccinuri ăi a studiat agenţii etiologici ai unor boli.

Cantacuzino a înfintat institutul care-i poartă numele, a elaborat numeroase vaccinuri şi a adus contribuţii importante în domneniile microbiologiei, imunologiei şi virusologiei.

Morfologia şi biologia celulei bacteriene

Lumea vie a fost împărţită în regnul animal şi regnul vegetal, iar unitatea funcţională a lumii vii este celula.
In cadrul microorganismelor exista 4 diviziuni:
1.Protozoarele – organisme care aparţin regnului animal unicelular, cu organizare de tip eucariot;

2.Fungii/miceti – organisme care aparţin regnului vegetal, unicelulare, cu organizare de tip eucariot;

3.Bacterii – prezintă o structură rudimentar fiind mult mai simple decât cele doua menţionate anterior; prezintă un tip de organizare procariot. Peretele celular prezinta o structură chimică specială şi sunt încadrate în regnul procaryota;

4.Virusuri – organisme submicroscopice cu structura rudimentară. Prezintă un material genetic format din ARN sau ADN. Nu prezintă echipament enzimatic, motiv pentru care parazitează obligatoriu celule vegetale/animale. Sunt încadrate în cel de-al patrulea regn – VIRA. Pe lângă această categorie se pot adăuga viroizii şi prionii care reprezintă agenţii infecţioşi ai plantelor şi animalelor, despre care nu se cunosc multe.

Termenul de bacterie a fost introdus în 1872 de către Ferdinand Cohn, moment în care s-a încercat şi o prima clasificare a acestora.

In natură bacteriile există sub două forme:
-celula vegetativă – este identică cu bacteria, prezentând toate caracteristicile speciei;
-sporul bacterian care reprezintă o formî de rezistenţă a bacteriei la condiţiile de mediu nefavorabile şi pentru care funcţiile vitale se găsesc în stare dormantă.

Bacteriile nu au reticul endoplasmatic, mitocondrii şi aparat Golgi, structuri care se întâlnesc la tipul de organizare eucariot.
Materialul genetic e format dintr-un singur cromozom alcătuit dintr-o molecula mare de ADN şi fragmente extracromozomale numite plasmide, aceastea reprezentând 1% din materialul genetic.
Bacteriile nu prezintă structuri interne delimitate de membrane. Unele specii prezintă la suprafaţă cili sau fimbrii.

Bacteriile prezintă echipament enzimatic propriu, hrănirea se realizează prin absorbţia substanţelor nutritive şi poate fi de tip chimiotrof sau fototrof.

In cazul bacteriilor implicate în patologia animală şi umană hrănirea e de tip chimiotrof, iar ăn cazul celor implicate ăn patologia vegetală – hranirea e de tip fototrof.

Inmulţirea se realizează de regulă prin diviziune simplă, mai rar prin înmugurire sau pe cale sexuată.
Structuri caracteristice tuturor celulelor bacteriene: membrana, citoplasma, nucleu.

Acestea formează protoplastul; învelişul bacterian este prezent la majoritatea speciilor de bacterii.
Structura caracteristică anumitor specii bacteriene : capsula, cilii sau flagelii, pilii sau fimbriile.

Laborator de culturi de celule

in Biologie/Chimie by

Designul unui laborator de culturi de celule

Este un deziderat a constitui un laborator de culturi de celule, pornind de la zero şi respectând norme precise, nefiind recomandată adaptarea unui laborator utilizat pentru alte scopuri.

Este de preferat ca sistemul de lucru să fie unitar şi toate manipulările să se efectueze într-un singur spaţiu (unitatea de procesare tisulară şi celulară) care trebuie să fie separat de zona de primire a materialului de studiu (zonă de carantină).

Spaţiul de lucru trebuie să fie steril, necesită o iluminare adecvată, un trafic aeric redus, suprafeţe de lucru uşor lavabile, o hotă de flux laminar şi lămpi de ultraviolete pentru sterilizare. Sticlăria trebuie să fie neutră, perfect transparentă, fără neregularităţi. Este reprezentată de sticlărie specială pentru culturi şi sticlărie uzuală de laborator.

Aparatură şi instrumentar:

Hotă microbiologică: asigură un mediu de lucru curat pentru produsele biologice şi protejează operatorul de aerosolii care pot conţine patogeni. Hota este dotată de obicei cu filtre HEPA (high efficiency particulate air). Aerul este recirculat prin sisteme complexe de filtre care respectă mediul extern.

Controlul microbiologic al contaminării se realizează cu ajutorul unor plăci speciale de agar care se amplasează în interiorul hotei pentru cel puţin 4 ore. Dacă pe suprafaţa acestor plăci nu cultivă nici bacterii nici fungi, înseamnă că mediul de lucru este propice din punct de vedere microbiologic. În funcţie de tipul de cultură intenţionat, se iau masuri specifice de asepsie, inclusiv împotriva unei eventuale contaminări virale.

Centrifuge: centrifugele sunt utilizate pentru tehnicile de rutină pentru subculturi pentru izolarea liniilor celulare sau pentru crioprezervarea celulelor izolate. Centrifugele produc în mod normal aerosoli; de aceea trebuie folosite tuburi de centrifugare sigilate, cu capac transparent care permite examinarea stării conţinutului înainte de desigilare. Se va verifica permanent echilibrarea centrifugii înainte de amorsare şi starea de coroziune; centrifuga va fi amplasată într-un loc accesibil.

Incubatoare: culturile celulare au nevoie de locaţii speciale pentru supravieţuire. Incubatoarele uzuale asigură condiţii de creştere constante, de temperatură, grad de umiditate şi nivele de CO2 atent controlate.

Temperaturile de lucru variază între 28°C (celule de la insecte) – 37°C (celule de la mamifere), iar nivelul de CO2 variază între 5-10%. La ora actuală există incubatoare cu nivele controlate de CO2 şi cu interior de Cu, care inhibă dezvoltarea germenilor. Totuşi, singura măsură care trebuie aplicată constant este igienizarea suprafeţelor şi volumelor de lucru.

Suprafaţa de lucru şi podelele: toate suprafeţele de lucru, podelele şi pereţii trebuie să fie netede şi uşor de curăţat, rezistente la apă şi la diferiţi reactivi (soluţii alcaline, acide, dezifectanţi). În zonele de congelare în azot lichid, podeaua trebuie să reziste la spargere iar geamurile trebuie să se închidă ermetic.

Instrumentar: bisturie, lame sterile, pense fine foarfeci chirurgicali. Dispozitivele de curăţare şi sterilizare includ: autoclave, un cuptor de sterilizare şi spălător de pipete. Totuşi, un laborator modern şi dotat financiar foloseşte materiale de lucru de unică utilizare, pentru reducerea la minim a posibilităţilor de contaminare.

Condiţii de cultură

Celulele de origine animală sunt destul de dificil de cultivat în raport cu cele bacteriene (excepţie fac celulele embrionare sau tumorale, care cultivă uşor). Pentru a permite supravieţuirea în condiţii de pseudonormalitate a celulelor sau fragmentelor de ţesut recoltate sunt necesare câteva condiţii esenţiale:

-temperatura de 37°C pentru celulele mamifere
-pH 7,2-7,4 şi o tărie ionică adecvată
-acces la nutrienţi care să simuleze cât mai precis mediul intern al organismului din care a fost extras fragmentul de ţesut

De obicei, celulele sau fragmentele de ţesut extrase sunt amplasate în vase speciale de cultură cu un mediu de cultură specific. Culturile sunt menţinute în incubatoare cu condiţiile menţionate mai sus şi controlate electronic.

Asepsia este una din condiţiile esenţiale pentru realizarea unei culturi tisulare sau celulare. Regulile care guvernează un spaţiu aseptic sunt:

-acces limitat la camera de culturi celulare, de obicei prin zonă ecluză

-suprafeţele de lucru se decontaminează înainte şi după utilizare

-manipularea probelor biologice se face numai cu instrumentar steril, eventual de unică utilizare şi semiautomatizat sau complet automatizat

-experimentatorul va purta echipament special şi mască de protecţie

-sterilitatea permanentă controlată a spaţiului de lucru

Mediile de cultură trebuie să asigure:

-echilibrul ionic obţinut cu ajutorul soluţiilor izotone (menţinerea presiunii osmotice);

-pH optim (7,2-7,4);

-temperatură optimă, conţinutul de O2 şi CO2 favorabile;

-elemente nutritive indispensabile metabolismului;

-evitarea contaminării cu germeni patogeni – se realizează prin adăugarea de antibiotic la mediul de cultură;

Clasificarea mediilor de cultură:

În funcţie de:

-consistenţă:
o lichide
o semilichide (mediu nutritiv + agar sau coagulat de plasmă sangvină)

-compoziţie:
o naturale
o semisintetice
o sintetice

-după valoarea nutritivă:
o medii de creştere (permit o proliferare celulară abundentă)
o medii de menţinere (care nu încurajează proliferarea dar menţin viabilitatea celulară

Compoziţia mediilor de cultură:

-serul – este un amestec complex de albumine, factori de creştere şi inhibitori ai acestora. Este un element esenţial al mediilor de cultură pe bază de ser. Cel mai folosit este serul fetal de viţel

-săruri anorganice: sunt necesare pentru menţinerea echilibrului osmotic şi reglarea potenţialului de membrană

-sisteme tampon, care sunt necesare pentru menţinerea pH-ului (tampon fosfat, tampon bicarbonat de sodiu şi CO2 – uşor de obţinut într-un incubator cu CO2, ieftin şi netoxic); în mediu există şi un indicator al pH-ului (roşu fenol care virează de la galben la roşu aprins şi apoi la violaceu);

-carbohidraţi: reprezintă sursa principală de energie pentru celule. Se utilizează în special medii cu glucoză, galactoză dar şi cele cu maltoză sau fructoză;

-vitamine: sunt prezente fie în ser (pentru mediile pe bază de ser) sau sunt adăugate în mediile artificiale. Cele mai importante vitamine pentru culturi celulare sunt cele din grupul B, necesare pentru creştere şi proliferare, riboflavina, tiamina şi biotina;

-proteinele şi peptidele sunt importante în mediile artificiale; includ albumina, transferina, fibronectina;

-lipide şi acizi graşi: importante pentru mediile artificiale, includ colesterolul şi steroizii;

-microelemente: Zn, Cu Se (pentru detoxifiere şi îndepărtarea radicalilor liberi), acizi tricarboxilici şi intermediari

Culturile celulare pot fi conservate la temperaturi scăzute (-135°C), după o condiţionare prealabilă şi tratare cu agenţi de crioprotecţie. Congelarea se face progresiv cu o rată de (-1) – (-3)°C pe minut.

Principii de lucru

Vom menţiona aici principiile de urmat şi de evitat în efectuarea şi manipularea unor culturi celulare:
Principii de urmat:

-se foloseşte întotdeauna echipament individual de protecţie (halat, mănuşi, ochelari); opţional se pot folosi mănuşi termoizolante, vizieră şi şorţ special pentru manipularea azotului lichid;

-bonete speciale care să acopere părul strâns;

-echipament special pentru camera de culturi;

-ordinea şi curăţenia pe suprafaţa de lucru

-marcarea corectă a recipienţilor, mediilor, eprubetelor cu conţinutul şi data preparării;

-manipularea unei singure linii celulare o dată. Nu se trece cu un vas pe deasupra altora;

-între operaţiuni, se curăţă masa cu alcool 70% şi se lasă circa 15 minute între manipularea succesivă a

2 linii celulare diferite;

-utilizarea de recipiente separate cu medii pentru diferitele linii celulare;

-examinarea zilnică a culturilor pentru posibile contaminări bacteriene sau fungice;

-controlul de calitate al mediilor şi reactivilor înainte de utilizare (data expirării, pH, contaminare)

-evitarea ambalării în carton a instrumentarului sau culturilor;

-aseptizarea hotei, filtrelor, incubatoarelor, microscoapelor;

-testarea celulelor pentru contaminarea cu Mycoplasma.

De evitat:

-utilizarea de antibiotice în mod continuu, deoarece se ajunge la selectarea unor rezistenţe care fac liniile celulare inutilizabile din punct de vedere comercial;

-acumularea deşeurilor la nivelul zonei de lucru;

-aglomerarea personalului în laborator;

-manipularea celulelor din surse incerte în sistemul principal de lucru; acestea se menţin în carantină până la efectuarea tuturor testelor specifice;

-menţinerea liniilor celulare în cultură continuă, fără recongelare;

-permiterea confluării complete a culturilor; de obicei gradul de confluare este menţionat în protocolul de utilizare al culturii;

-expirarea mediului de cultură; de obicei mediul rezistă 6 săptămâni la 4°C după adăugarea glutaminei şi serului;

-murdărirea băilor de apă;
-decalibrarea echipamentului.

Controlul de calitate

Se vor urmări:

-calitatea reactivilor şi materialelor
o serul fetal bovin nu trebuie să fie infectat cu virusul diareei bovine
o tripsina porcină este sursă de Myocoplasma
o toate materialele trebuie să aibă certificate de calitate la zi; nu se acceptă furnizori neautorizaţi;

-provenienţa şi integritatea liniilor celulare
o liniile celulare să nu fie contaminate
o originea liniilor şi profilul ADN complete
o instrucţiuni de utilizare detaliate

-evitarea contaminării microbiene – sunt posibile 3 tipuri de contaminări:
o bacteriană şi fungică: vizibile prin creşterea bruscă a turbidităţii mediului, modificări de culoare şi pH.

Este necesară examinarea microscopică zilnică cu Mycoplasme (procariote autoreplicative), sub formă de coci sau filamente; efectele contaminării cu Mycoplasma sunt mai insidioase:

o reducerea ratei de creştere a celulelor
o modificări morfologice
o aberaţii cromosomiale
o alterări ale metabolismului acizilor nucleici şi aminoacizilor
o virală: în special pentru serul bovin

IZOLAREA ŞI SORTAREA CELULARĂ

in Biologie/Enciclopedie by

Majoritatea tehnicilor de analiză biochimică presupun izolarea celulelor din contextul lor tisular. În acelaşi timp, pentru o analiză cantitativă şi calitativă coerentă, este necesar un număr relativ mare de celule. Dacă pornim investigaţia de la un fragment de ţesut, problema întâmpinată constă în faptul că acest fragment conţine un număr mare de specii celulare amestecate.

Este deci necesară extragerea diferitelor specii celulare urmată de o sortare în funcţie de diferite criterii; dacă numărul de celule este satisfăcător, se poate trece la destructurarea celulară în vederea analizei conţinutului; dacă numărul de celule este insuficient, se poate proceda la multiplicarea acestora în cadrul unor culturi celulare, din care vor fi prelevate mostre pentru o analiză ulterioară.

Izolarea celulară din ţesuturi

Cele mai accesibile ţesuturi animale pentru izolare celulară sunt cele fetale sau neonatale, în care dinamica şi multiplicarea celulară sunt accentuate iar stabilitatea joncţiunilor intercelulare ca şi cantitatea de matrice extracelulară sunt reduse. Desigur, celulele izolate trebuie să-şi păstreze viabilitatea fie că este vorba de o tentativă exploratorie fie că vor fi supuse cultivării ulterioare.

Primul pas în vederea izolării celulare este reprezentat de denaturarea conexiunilor intercelulare şi a liantului reprezentat de matricea extracelulară. Joncţiunile intercelulare sunt dependente de prezenţa ionilor de Ca. Astfel, un chelator (agent de îndepărtare) al calciului cum este EDTA (acid etilen-diamino-tetra-acetic) aplicat fragmentului de ţesut de investigat, va determina desfacerea joncţiunilor menţionate, cu eliberarea celulelor.

Matricea extracelulară (incorect denumită anterior – substanţă fundamentală) poate fi denaturată prin tratamentul fragmentului tisular cu enzime proteolitice ca tripsina sau colagenazele (al căror rol este de a digera componentele ale matricei extracelulare cum ar fi colagenul sau proteoglicanii). După tratarea unui fragment tisular prin tripsinizare (cu tripsină) şi EDTA, de obicei este suficientă o uşoară agitare a eşantionului pentru a disocia celulele viabile. În eprubeta de lucru se obţine o mixtură celulară, formată din celule izolate, în suspensie.

Al doilea pas este separarea şi sortarea celulelor în suspensie, obţinute prin izolarea din ţesuturi. Procedurile de separare implică metode fizice, cum ar fi centrifugarea, care va fi descrisă la metodele de separare a organitelor celulare, pentru care a fost iniţial concepută. Alte proceduri de separare se bazează pe capacitatea celulelor de a adera mai mult sau mai puţin la diferite tipuri de suprafeţe (sticlă sau plastic).

Una din cele mai interesante tehnici de sortare este bazată pe posibilitatea utilizării anticorpilor specifici. Aceşti anticorpi (proteine specifice sintetizate de celulele sistemului imun, ca răspuns la structuri non-self) pot fi ataşaţi la suprafaţa celulelor, în mod diferenţial şi pot interacţiona adeziv cu diferite suporturi organice (colagen, polizaharide, microsfere de plastic.

Aceste suporturi organice formează o suprafaţă de afinitate la care celulele marcate cu anticorpi vor adera. După aderare, celulele pot fi desprinse fie prin agitare uşoară, tratament cu tripsină (tripsinizare) pentru a denatura proteinele care au mediat fenomenele de adezivitate sau tratament cu enzime care denaturează substratul de tip matriceal (colagenul pentru care utilizăm o colagenază).

Una din tehnicile cele mai avansate de sortare a celulelor utilizează cuplarea cu anticorpi urmată de marcajul fluorescent al acestora. Celulele marcate astfel (cu anticorpi marcaţi la rândul lor cu fluoroforul specific) sunt separate de un sistem de sortare prin activarea fluorescenţei. Celulele marcate circulă prin acest sistem de sortare (fig. …) în flux laminar iar fluorescenţa fiecărei celule este măsurată precis. Un subansamblu de sonicare formează picături microscopice care conţin câte o celulă sau nu conţin de loc celule.

Aceste picături microscopice sunt încărcate pozitiv sau negativ în momentul formării, în funcţie de pozitivitatea sau negativitatea fluorescenţei. Apoi, picăturile trec printr-un câmp electric care le deviază traiectoria în funcţie de încărcarea electrică.

Astfel, picăturile cu încărcare pozitivă (şi care conţin celule marcate fluorescent) sunt depozitate într-un recipient fiind separate de cele încărcate negativ. Particulele şi picăturile neîncărcate îşi continuă parcursul în mod gravitaţional, ajungând în recipientul de deşeuri. Astfel de sisteme de sortare au o capacitate de 5000 de celule pe secundă.

Celulele obţinute prin această metodă de sortare pot fi supuse direct analizelor biochimice sau pot fi direcţionate spre alte metode de multiplicare celulară – culturi tisulare şi stabilizarea de linii celulare.

Culturi tisulare şi celulare

Prin definiţie, culturile tisulare reprezintă totalitatea tehnicilor de menţinere şi în unele situaţii de creştere şi multiplicare in vitro a unor mici fragmente tisulare extrase de la plante sau animale. Culturile tisulare sau celulare sunt necesare pentru studiul efectelor unor substanţe endogene sau exogene asupra sistemelor vii. Culturile de ţesut sunt utilizate pentru a iniţia culturi celulare.

Istoric

1881 – Roux a demonstrat viabilitatea celulelor de la embrionul de găină într-o soluţie salină şi în afara unui organism viu

1907 – Harrison rezolvă controversa „doctrinei neuronale” care susţinea că extensiile neuronale se dezvoltă prin evoluţia corpului neuronal şi nu prin fuziunea celulelor care înconjură aceste extensii.

El a cultivat fragmente de măduvă spinală de amfibian (ex. broască) pe cheag limfatic şi a demonstrat că extensiile neuronale se dezvoltă pornind de la corpul neuronal şi invadând suportul nutritiv.

1913 – Carrel demonstrează că unele celule pot creşte şi supravieţui pentru un timp în cultură dacă sunt alimentate corespunzător şi menţinute într-un mediu aseptic.

1948 – Earle şi colab. izolează celule din linia L şi determină formarea de clone celulare în cultură de ţesuturi.

1952 – Gey şi colab. stabilizează prima linie celulară din carcinomul cervical uman, linie cunoscută astăzi sub numele HeLa.

1961 – Hayflick şi Moorehead arată că numeroase fibroblaste mor după un număr determinat de diviziuni în cultură.

1964 – Littlefield introduce mediul HAT în vederea creşterii selective a hibrizilor de celule somatice. Odată cu punerea la punct a tehnicilor de hibridare a celulelor a fost deschisă era manipulării genetice.

1965 – Ham şi colab., a definit un mediu de cultură fără ser pentru celule de la mamifere. Au fost create primele celule hibrid umane-murine (Harris-Watkins).

1975 – Kohler şi Milstein au produs prima dată anticorpi monoclonali din linii celulare compuse din hibridoame.

1976 – Sato şi colab., arată că pentru creşterea celulelor în medii fără ser este necesară prezenţa unor factori de creştere şi hormoni.

Terminologie

Experimentele de cultivare pot avea loc in vitro (ad literam, pe sticlă) sau in vivo, în cadrul unor organisme intacte. Există posibilitatea unor confuzii, mai ales în sens biochimic, deoarece termenul in vitro se referă la reacţii biochimice care au loc în afara celulelor iar termenul in vivo se referă la reacţii care au loc în interiorul unei celule vii.

Noţiunea de cultură celulară se referă la situaţia în care fragmentul de ţesut este disociat în elementele celulare componente; aceste elemente celulare pot prolifera în condiţii fizico-biochimice speciale prestabilite, prin aderarea la un substrat de plastic sau sticlă sau în suspensie în mediul de cultură.

Noţiunea de cultură tisulară a unor fragmente mici este sinonimă cu cea de explant. Menţinerea fragmentelor mici la o interfaţă lichid-solid prin ataşarea tisulară la un substrat de plastic sau de sticlă permite creşterea celulelor pe substrat şi migrarea şi proliferarea celulară ulterioară; poate fi astfel generată o linie celulară.

Noţiunea de cultură de organ presupune ca ţesutul să nu fie disociat ci menţinut la interfaţa lichid-solid; tehnica permite menţinerea arhitecturii tisulare dar nu permite propagarea liniilor celulare în volum.

Aplicaţii

Culturile tisulare sunt utilizate pentru:

-studiul celulelor în micromedii reglate fizic şi fiziologic;

-caracterizarea şi validarea unui stoc de celule;

-minimizarea utilizării animalelor de experienţă;

-studii de transfecţie (introducerea ADN exogen în genomul unor celule izolate şi caracterizate pentru investigarea comportamentului celular şi mutaţiilor);

-inginerie proteică – studiul mecanismelor de semnalizare şi de răspuns celular citotoxic sau genotoxic,
mecanisme sintetice de răspuns la stimuli externi;

Culturile tisulare nu reproduc cu acurateţe condiţiile in vivo datorită diferenţelor de micromediu, absenţei enzimelor hepatice specifice şi dificultăţilor în reproducerea unui fenotip celular complet diferenţiat in vitro. Liniile celulare rezultate din culturi sunt genetic instabile şi heterogene din punct de vedere genotipic.

Clasificare
Culturile pot fi clasificare grosier în:

-culturi primare – derivate direct din fragmente de ţesut sau organ; culturile rezultă fie din explant (fără o etapă iniţială de disociere tisulară) fie după disociere enzimatică într-o suspensie celulară.

-culturi secundare (continue) – rezultate ca urmare a extracţiei celulelor din cultura primară şi cultivări ulterioare; se pleacă de la un singur tip de celule care se multiplică de un număr limitat de ori (de obicei 30 de ori) sau se pot multiplica la infinit. Culturile continue finite constau în celule diploide, cu un grad accentuat de diferenţiere (ex. fibroblaste care continuă să secrete colagen) şi care suferă progresiv procese de senescenţă.

Menţiune: Culturile celulare care se permanentizează presupun o propagare celulară pe o perioadă nedefinită şi, de obicei, se transform în celule tumorale. Celulele tumorale sunt foarte uşor de cultivat şi se obţin fie direct din tumori clinice fie prin inducţie din celule normale prin transfecţia unor oncogene virale sau prin tratamente chimice.

Morfologia celulelor în cultură este variabilă şi denotă de obicei tipul de ţesut din care derivă: liniile celulare derivate din sânge tind să crească în suspensii în timp ce celulele derivate din ţesuturi solide tind să crească în monostrat.

În funcţie de tipul de substrat utilizat, culturile pot fi:
-pe suport organic nutritiv
-pe suport organic nenutritiv
-pe suport anorganic (sticlă, plastic)

Particularităţi şi condiţii
Culturile de celule sunt de obicei preparate într-un spaţiu de lucru steril, special amenajat, izolat prin ecluze de exterior. Acest spaţiu include resurse de apă curentă, gaz electricitate, toate în flux continuu.

Necesarul de bază într-un laborator de culturi de celule este reprezentat de:

-arie de lucru sterilă

-sticlărie, instrumentar specific, sterilizabil sau de unică utilizare (de preferat)

-sisteme de stocare şi congelare

-incubator, sistem de alimentare cu CO2, hotă de flux laminar (în care circulaţia aerului se face numai în direcţie ascendentă

-microscop fotonic pentru controlul culturilor, agitator magnetic, sonicator, balanţă analitică
-consumabile

FORMAREA BIOMOLECULELOR

in Biologie by

Dintre toate elementele chimice care participa la structurarea materiei vii, 4 sunt esentiale in formarea biomoleculelor: carbonul, azotul, hidrogenul, oxigenul. Aceste bioelemente prezente aproape intotdeauna in sursele nutritive ale microorganismelor au proprietatea de a stabili intre ele legaturi covalente, legaturi ce se realizeaza prin punerea in comun a electronilor dupa legi chimice bine cunoscute.

Astfel hidrogenul, pentru formarea unei legaturi covalente are nevoie de un electron, oxigenul de 2, azotul de 3, chiar carbonul de 4. In plus, 3 dintre aceste elemente : C, N, O, pot pune in comun una sau 2 perechi de electroni formand astfel leg. Simple sau duble. Proprietate care le confera o mobilitate considerabila in formarea biomoleculelor.

Cele 4 bioelemente ce stau la baza formarii biomoleculelor, prezinta o serie de proprietati ce faciliteaza formarea cu usurinta a acestora in cadrul sistemului biologic.

Principalele proprietati ale biolementelor formatoare de biomolecule:

1.C, N, H, O sunt elementele chimice ce formeaza cel mai usor legaturi covalente. De altfel este de stiut ca taria unei legaturi covalente este invers proportionala cu masa atomica a atomilor intre care se stabileste legatura si ca urmare rezulta ca aceste 4 bioelemente pot forma legaturi covalente foarte puternice si biomolecule stabile.

2.Atomii de C se pot lega cu usurinta intre ei deoarece in cadrul sistemului biologic un atom de carbon poate, fie sa accepte fie sa doneze 4 electroni pentru a realiza un octet exterior, dar poate forma si legaturi covalente cu alti 4 atomi de C, marind in felul acesta gradul de complexitate a biostructurii. Aceasta permite formarea de catene liniare ramificate sau ciclice, asigurandu-se astfel formarea unor mari varietati de biomolecule.

3.Atomii de C pot forma legaturi covalente si cu O, H, N, si S ce face ca in structura unei biomolecule sa fie introduse nenumarate tipuri de grupari functionale.

4.Compusii organici ai C datorita configuratiei tetraedrice a perechilor de electroni din jurul carbonului legat simplu, fac posibila obtinerea unei mari diversitati de biostructuri tridimensionale, ca urmare a stabilirii de legaturi covalente de tipul C-C. In cadrul unei biostructuri complexe cum ar fi : poliglicidele si proteinele, nici un alt element chimic face posibil stabilirea atator legaturi chimice si formarea unei mari varietati de forme molecular foarte diferite structural si functional.

Datorita acestor proprietati a bioelementelor de baza in formarea biomoleculelor este posibila includerea in biostructura si a altor bioelemente (Mn, Co, Cu,Zn, S, P), in felul acesta se asigura o buna functionare a sistemului celular.

LEGATURI CHIMICE INTERMOLECULARE

In structurile celulare pe langa legaturile covalente ce se stabilesc intre moleculele monomere pentru formarea de structuri macromoleculare, actioneaza si alti factori de legare, ceea ce face ca modul de distribuire a moleculelor in interiorul celulei sa nu fie intamplator.

Aceasta arata ca stabilirea de legaturi covalente nu este suficienta deoarece atomii reuniti prin intermediul lor apartin prin definitie aceleiasi molecule, iar structurile celulare necesita legarea acestora in biomolecule mult mai complexe si diferite de multe ori d.p.d.v chimic.

La nivel celular, modul de aranjare a moleculelelor in structuri cu grade diferite de complexitate se realizeaza prin intermediul unor legaturi chimice intermoleculare cum ar fi : legaturile Van der Waals, leg. de hidrogen, legaturi ionice si legaturi moleculare particulare.

Toate acestea sunt cunoscute sub numele de legaturi intermoleculare, secundare sau “slabe”. Acest tip de legaturi se stabilesc nu numai intre atomii aceleiasi molecule, dar si intre atomii ce apartin unor molecule diferite.

Legaturile intermoleculare sunt cele care hotarasc , care molecula intra in vecinatatea altei molecule, ele stabilind totodata forma dar si flexibiltatea structurilor moleculare.

CARACTERISTICILE LEGATURILOR CHIMICE INTERMOLECULARE

Legaturile ch. Intermoleculare reprezinta totalitatea fortelor de atractie care mentin impreuna atomii moleculelor componente ale unei substante biologice.

Initial se credea ca singurele forte care reunesc atomii in moleculele biologice sunt legaturile covalente, dar s-a constatat ca un rol deosebit de important, cel putin in formarea macromoleculelor, biostructurilor si suprastructurilor celulare revine fortelor de atractie slabe sau legaturilor intermoleculare.

De exemplu, unirea celor 2 lanturi (catene) ale ADN-ului intr-o structura biomoleculara se realizeaza prin legaturi slabe cum sunt legaturile de H. Aceste legaturi desi au fost considerate ca legaturi interioare sunt legaturi chimice tipice in ciuda faptului ca nu sunt sufficient de solide.

Legaturile intermoleculare secundare sau slabe prezinta o serie de caracteristici ce imprima noii structure proprietati specifice. Principalele lor caracteristici sunt:

1.Gradul de solidaritate
2.Tipul si numarul de legaturi in cadrul biostructurii
3.Unghiul de legare
4.Libertatea rotatiei moleculare
5.Modul in care se formeaza

1.GRADUL DE SOLIDARITATE

Spre deosebire de legaturile covalente care la temperature fiziologice celulare nu influenteaza ruperea lor, legaturile slabe sau intermoleculare se rup foarte usor la astfel de variatii ceea ce face ca ele sa aiba o existent efemera, deci sunt legaturi cu grad de solidaritate redus.

Se poate aprecia totusi ca solidaritatea lor este mult limitata si direct influentata de conditiile celulare, modul de desfasurare a reactiilor biochimice, echilibrul dinamic al proceselor de structurare celulara, concentratia ionilor de H, rH-ul, gradul de entropie si alti factori.

Solidaritatea poate deveni mult mai stabila atunci cand moleculele sunt grupate ordonat, iar distant dintre cele 2 componente moleculare care participa la formarea unei macromolecule nu este prea mare, deci s-ar putea spune ca solidaritatea unei legaturi intermoleculare este dependent in primul rand e lungimea ei .

Cu cat lungimea unei molecule este mai mare cu atat si sunt solide atunci cand atomii participanti la legare se afla la o anumita distanta unii de altii. Distanta insa trebuie sa asigure pastrarea “laolalta” a biomoleculelor si ssa asigure totodata stabilitatea si functionalitatea biomoleculei.

2.TIPUL SI NR. DE LEGATURI IN CADRUL BIOSTRUCTURII

Daca legaturile covalente se realizeaza prin valente, legaturile intermoleculare se stabilesc printr-un nr. variabil de forme de legare care depend de posibilitatea ca 2 atomi sa vina in contact.

De exemplu: in cazul leg. Van der Waals exista un grad mare de variabilitate, factorul limitant fiind de natura chimica, adica el determinand nr. de atomi care pot veni simultan in contact unul cu altul.

In cazul leg. de H formarea lor este supusa unor restrictii celulare. In primul rand un atom de H de regula nu participa decat la realizarea unei singure legaturi. Aceasta deoarece posibilitatile sale de legare sunt limitate.

Numarul de forte care participa la legare este si el limitat. Daca o biomolecula are o polarizare puternica, ea determina atragerea puternica a altor molecule si cresc posibilitatile de formare de legaturi intermoleculare si de complexare a biostructurii.

3.UNGHIUL DE LEGARE

Daca in cazul legaturilor covalente, unghiurile de legare este intotdeauna aprox. acelasi, in cazul legaturilor intermoleculare unghiul de legare este foarte diferit, variaza foarte mult in raport cu tipul de biomolecule implicate in formarea de biostructuri.

Ex .: cand atomul de C este legat prin 4 legaturi simple, acestea au o orientare tetraedrica, unghiul de legare fiind de 109°C. Spre deosebire de acestea in cazul leg. intermoleculare unghiul de legare ia pozitie variabila datorita numarului variabil de forte prin care se pot stabili astfel de legaturi.

Pot interveni forte de atractie, electrostatice sau forte celulare ce pot sa apara ca urmare a reactiilor biochimice ce au loc cu mare rapiditate. In plus marea variabilitate a unghiurilor in cazul formarii biomoleculelor este influentata de nr. mare de atomi c participa la realizarea unei biostructuri.

Desi in cazul majoritatii biostructurilor de legare, unghiul este variabil, el este in stransa dependentza cu natura si structura moleculelor participante la realizarea unei biostructuri.

4.LIBERTATEA ROTATIEI MOLECULARE

Legaturile chimice indiferent de natura lor, difera intre ele prin libertatea de rotatie libera atomilor componenti. De ex.: in cazul moleculelor de glucoza, leg. covalente simple permit rotatia libera a atomilor pe care ii rotesc, pe cand in cazul proteinelor, legaturile covalente duble sunt foarte rigide permitand o rotatie limitata a atomilor lor.

In cazul proteinelor, leg. covalente duble sunt foarte rigide, permitand o rotatie limitata a tomilor lor.La nivelul legaturilor peptidice pot sa existe doar 2 situatii:

Daca in cazul glucozei, rotatia atomilor de la pozitia C5,6 se realizeaza relativ usor, in cazul proteinelor gruparile carbonil (C = O) si imino (N – H) ce formeaza legatura peptidica, sunt in general dispuse in acelasi plan imprimand moleculei o anumita rigiditate ce face ca posibilitatea de rotatii participante la legaturile peptidice sa fie limitate.

In cazul leg. ionice, legaturi ce sunt destul de slabe permit rotirea atomilor care participa la formarea lor mult mai amplu si mai deliberat.

5.MODUL IN CARE SE FORMEAZA

Toate legaturile chimice, atat cele slabe cat si cele covalente, se formeaza datorita unor forte electrostatice. Pe baza mecanicii cuantice se poate explica modul in care se formeaza fortele de legare intermoleculare. Conform conceptiei cuantice formarea unei legaturi implica o schimbare a formei de energie, adica eliberarea si transformarea unei parti din energia atomic in alta forma de energie: libera, interna etc.

Biologia moleculara

in Biologie/Chimie by

Biologia moleculara este stiinta care se ocupa cu studiul princiapalelor forme molecular si celulare ce intra in structura materiei vii cu evolutia si diversitatea lor precum si cu modul de functionare a lor in cadrul sistemelor biologice celulare. Lumea inconjuratoare este formata din 2 forme material, materie vie si materie moarta.Conform conceptiei molecular determinate in biologia actual,material aflata in organismele vii a fost desemnata ca fiind materie vie,ea fiind alcatuita din aceleasi subst si prezinta grade de organizare relative asemanatoare cu cele ale materiei moarte.

Materia vie insa se deosebeste de material moarta prin modul in care se desfasoara reactiile chimice intre principalii ei component intre care pot avea tot felul de reactii chimice.In organismele vii,deci in material vie aceste reactii sunt atat de bine si exact coordinate in timp si spatiu incat se contopesc intr-un proces unic cunoscut sub numele de metabolism specific numai lumii vii.

In material moarta,reactiile chimice se desfasoara dezordonat ele conducand in cele mai multe cazuri la descompunerea materiei in care se produc,mai mult in organismele vii exista o stare specifica materiei,acea stare spirituala care o face sa difere ineexplicabil de material moarta.Cele 2 forme de existent ale materiei,prezinta o serie de caracteristici ce au menirea de a stabili granitele dintre viu si neviu.

Principalele caracteristici ale materiei vii sunt:

-viul manifesta un ansamblu de propr biochimice cum ar fi: reproductibilitatea, excitabilitatea-metabolism nastere si moarte

-o data cu moartea intregul ansamblu se propr caracteristice viului inceteaza de a se manifesta ceea ce inseamna ca structura biologica purtatoare a acestor proprietati inceteaza si ea sa mai existe

-modificarea proprietatilor biologice si biochimice ale viului determina modificari la nivelul structurilor purtatoare de viu.Orice modificare intervenita in structura unui organism este receptionata,iar organismul incearca sa-si manifeste o stare comportamentala specifica modificarilor respective

-structura biologica este purtatoarea propr caracteristice viului,ceea ce inseamna ca o data cu aparitia acestei structure incep sa se manifeste spontan si in bloc

-daca un sistem manifesta una sau unele propr caracteristice viului si nu le poate manifesta de sistem , nu sunt propr ale viului , ci numai se aseamana cu ele. Privite in ansamblul lor , toate organismele vii prezinta o structura moleculara si celulare speciala cunoscuta sub numele de biostructura.Biostructura isi pastraza caracteristicile de str biologica numai atat timp cat organismul este viu.

Moartea organismului conduce la dezintegrarea sau la descompunerea sa si deci la disparitia lui si la trecerea materiei vii in materie moarta. Str moleculara caracteristic viului nu pot exista ca entitati separate , ele capata caracter de viu numai daca sut integrate in biostructuri molecular , celulare , organice sau intr-un organism. Integrarea moleculelor component in biostructura se face cu consum de energie si dupa integrare acestea isi pierd propr specific molecular capatand noi caracteristici ce determina functionarea organismului ca un tot unitar.

La formarea biostructurilor participa aceleasi subst material ca si in cazul materiei nevii,dar ele odata intrate in biostructura dobandesc propr noi si devin functionale.In biostructura componentele molecular e se leaga intre ele prin biovalente si biolegaturi care se deosebesc prin specificul lor de toate categoriile de valente si legaturi care se manifesta intre leg molecular ale subst obisnuite. Odata cu moartea org viu bivalentele isi inceteaza actiunea,bioleg se desfac sau se rup.Componentele se pun in libertate.

Componentele moleculare ale celulei

Celula-cea mai simpla forma de manifestare a viului reprezentativ a biostructurii are in component sa o serie de elemente chimice cunoscute sub numele de bioelemente,dar si o serie de structure molecular tipic biologice cunoscute sub numele de biomolec.

Bioelementele celulare

In decursul evolutiei materiei vii,natura a selectat din totalul elem chimice aprox 52 pe care le-a integrat in propria-I structura imprimandu-le character viu. Din cele 52 elem chimice numai 40-43 apar in mod constant in orice organism viu.

Structurile celulare caracteristice viului nu pot exista ca entitati separate,ele capata character viu numai daca sunt integrate in biostructuri molecular,celulare,organice sau intr-un organism.Integrarea moleculelor component in biostructura se face cu consum de energie si dupa integrarea acestea isi pierd propr specific moleculare capatand noi caracteristici ce determina functionarea organismului ca un tot unitar.

La formarea biostructurilor participa aceleasi subs material ca si in modul materiei nevii,dare le odata intrate in biostructura dobandesc propr noi si devin functionaleBioelementele celulare specific organismelor vii pot fi:

-bioelemente esentiale(macrobioelemente)
-bioelemente urma(microbioelemente)

Bioelementele esentiale-acele elem chimice care participa la realizarea biostructurilor molec si celulare ale organismelor vii.Ele sunt reprezentate la nivelul organismului prin 25 elem chimice in ordinea crescatoare a nr de ordine(Z) ele sunt : H , C , N , O , F , Na , Mg , Si , P , S , Cl , K , C a , V , Cr , Mn , Fe , Co , Ni , Cu , Zn , Se , Mo , Sn , I.

Dintre toate acestea numai 11 elem chimice intra in compozitia materiei vii in proportie de 99%. Ele sunt reprezentate de O , C , N , H , P , S , Na , K , Mg , Ca , Fe. In cazul microorganismelor reprez lor procentuala raportata la greutatea uscata a celulei.

C reprezinta 50%din greutatea uscata a celulei, O-20% , N-14% , H-8% , P-3% , S-1%, K-1% , Na-1% , Ca ,Mg-0,9% , Fe-0,3%

In structurile molecular specific organismelor vii,elementele intra in proportii diferite,H intra in proportie de aprox 63% , O-25,5% , C-9.5% , N-1,4 %.

H si O in cazul celor mai multe organism repr impreuna aprox 88,5% pe cand N si C impreuna repr 10.9%. Aceste bioelemente nu pot sa lipseasca din nici o structura biologica.In formarea oricarei structure molecular biologice aceste elem chimice sunt indispensabile din aceasta cauza ele au fost considerate esentiale.

La aceste 4 bioelemente esentiale vietii se adauga S si P,aceste bioelemente participa la biostructura unor molecule fara de care nu se pot structura molec esentiale ale vietii la diferite nivele celulare pe langa cele esentiale se pot pune in evident si alte elemente pe care organismul le tolereaza si care pot intervene in sist functionale ale organismului in categoria acestor bioelemente intra : Sb , Ge , Hg , Pb , Au , Ag. Procentual insa aceste bioelemente se afla in organismele vii in cantitati f mici.Atunci cand aceste elemente se afla in cantitati prea mari pot afecta buna functionare a organismului,ele devenind chiar toxice.

Un surplus molecular a acestor bioelemente pot impune organismului respective utilizarea unor activitati la indepartatea sau descaderea conc la ceea ce ar face ineficienta si limitata functionarea sa.Din nr total de bioelemente esentiale pt organismele vii numai 6 constituie baza edificiului molecular ale materiei vii.Acestea sunt C,N,H,O,P si S.Insa din acestea numai C,N,H,O au pondere dominanta in structura molecular a biomoleculelor de baza ale organismelor. Acestea vor intra in mod obligatoriu in structura aminoacizilor,a acizilor organic,purinelor,pirimidinelor si vitaminelor. Aceste molecule insa la randul lor sunt componente moleculare ale proteinelor , lipidelor , nucleotidelor , acizilor nucleic sau substante macroergice.

In struct biologice aceste biomolecule joaca roluri importante cum ar fi de subst nutritive,de subst de rezerva si transport.

S si P ca bioelemente indispensabile existentei unor biostructuri molecular nu pot lipsi din component surselor sau subst nutritive ale org vii.S ca bioelement essential intra in compozitia unor aminoacizi,cisteina si metionina,dar este si element chimic de baza in biostructura unor coenzyme(A si Q).

P la randul sau este bioelement chimic essential de baza in realizarea str molecular a acizilor nucleic,nucleotidelor si a subst macroergice (GTP , UTP). Este deasemenea prezent in structura moleculara a unor coenzyme , nicotina , dinucleotidtrifosfatul , sau NADP , FAD si FMN , dar si in structura unor vitamin (vit B12). La nivelul acestor str moleculare P joaca rol de catalizator si mediator al reactiilor biochimice si energetice.

CELULOZA

in Biologie/Chimie by

CELULOZA este polizaharida cea mai raspindita in natura. Ea corespunde formulei(C6 H10 O5)n, in care n are valori cuprinse intre 700-800 si 2500-3000. Impreuna cu lignina si alte substante necelulozice , ea formeaza pereti celulelor vegetale si da plantei rezistenta mecanica si elasticitate.

Formarea celulozei in plante este rezultatul unui proces de biosinteza fotochimica. Procentual celuloza din plante variaza in limite foarte largi: 7-10% pentru unele plante leguminoase, 40-50% in paiele de cereale sau stuf, 40-60% in masa lemnoasa a diferitelor specii de arbori, pina la 85-99% in plante textile.

Celuloza se obtine in general din bumbac, lemn, stuf si paie.Cea mai pura varietate de celuloza se obtine din bumbac prin egrenarea(indepartarea semintelor) si apoi spalarea vatei din capsulele plantei de bumbac.Aceasta varietate este folosita aproape exclusiv in scopuri textile.

O celuloza mai putin pura se obtine din lemn, stuf sau paie. In acestea celuloza este amestecata cu diferiti componenti necelulozici, numiti irecruste(lignina, oligozaharide, ceruri, rasini etc.), care trebuie indepartati. Separarea se poate face cu ajutorul unor reactivi acizi sau bazici care dzolva incrustele, eliberind cea mai mare parte a materialului celulozic util.

Printre reactivii folositi, cel mai intrebuintat este bisulfitul de calciu, Ca (HSO3)2 (in procedeul bisulfitic) sau amestecul de sulfat de sodiu si hidroxid de sodiu (in procedeul sulfat). Celuloza rezultata este supusa albirii si serveste la fabricarea hirtiei sau la chimizare; in tara noastra productia de celuloza se realizeaza in numeroase unitati industriale.

Celuloza este o substanta solida, amorfa, de culoare alba, insolubila in apa sau in solventi organici, solubila in hidroxid tetra aminocupric, [Cu(NH3)4](OH)2 (reactiv Scheueizer). La incalzire se carbonizeaza fara sa se topeasca. Nu are gustul dulce caracteristic zaharidelor.

Prin hidroliza enzimatica, celuloza formeaza glucoza; celuloza prezinta un slab caracter reducator. Aceste constatari au dus la concluzia ca lantul macro molecular de celuloza este format dintr-un mare numar de resturi de glucoza legate intre ele prin legaturi monocarbonilice in pozitiile 1-4 (gruparea hidroxil glucozitic de la C1 al unui rest glucozic cu gruparea hidroxil de la C4 al restului urmator).

Rezulta astfel o structura filiforma a lantului macromolecular celulozic.

Numeroasele grupari hidroxil existente de-a lungul lantulului, in resturile glucozice, formeaza intre ele un numar urias de legaturi de hidrgen; aceste impacheteaza foarte strins lanturile macromoleculare si confera celulozei structua macroscopica de fir.

Din modul in care celuloza reactioneaza cu diferiti reactivi s-a dedus ca in macromolecula sa fiecare rest de glucoza prezinta trei grupari hidroxil capabila sa reactioneze chimic.

Gruparile hidroxil din celuloza au reactivite normala si participa la reactiile specifice lor: formarea de eteri, de esteri, de alcooli etc.Dupa numarul gruparilor hidroxil dintr-un rest glucozic, care participa la asemenea reactii se obtin produsi cu diferite grade de transfer.

Asemenea produsi sunt obtinuti si folositi direct la fabricarea fibrelor artificeale. Fibrele de celuloza din bumbac au lungimi de 20 – 30 mm si de aceea pot fi toarse in fire care apoi se tes.

Fibrele celulozice din lemn sunt foarte scurte, 3 – 5mm si incercarea de a le toarce nu a condus la nici un rezultat. Prin prelucrare fizico-chimica a acestora s-au realizat fibrele artificiale, denumite curent matase artificiala (au luciu asemanator cu cel al matasii naturale).

Acesta este solubil in solutie de hidroxid de sodiu, formind o solutie coloidala, vascoasa, viscoza (de unde si numele procedeului ). Trecuta prin orificii foarte fine intr-o baie de acid sulfuric diluat (filare umeda) solutia de viscoza se neutralizeaza, iar xantogenatul se descompune in celuloza si sulfura de carbon.

Pe aceasta cale celuloza se regenereaza sub forma unui fir continuu, desi provine din fibre foarte scurte din lemn. Matasea viscoza este intrebuintata la fabricarea diferitelor tesaturi precum si a cordului pentru anvelope.Daca solutia de viscoza este filata, printr-o fonta fina in baie de acid sulfuric diluat si glicerina, se obtin folii dintr-un produs larg folosit-celofanul.

Procedeul acetat realizeaza matasea acetat, folosind acetatul de celuloza. Solutia acestuia in acetona este supusa filarii la cald (uscata). Solventul se evapora si este recuperat, iar firul de acetat de celuloza coaguleaza si se intareste. Tesaturile de matase acetat sunt mai rezistente dar mai putin higroscopice decat cele din matase viscoza. La noi in tara fibrele artificiale se fabrica prin procedeul viscoza la Braila, Lupeni si Popesti-Leordeni.

Celuloza este o materie prima de mare valoare economica si constituie punctul de plecare in fabricarea unor produse importante, dintre care cea de hartie ocupa un loc principal.

Daca celuloza este supusa fierberii cu un acid mineral(acid clorhidric sau sulfuric) concentrat, ea se descompune intr-un produs care se dovedeste a fi glucoza.


BIBLIOGRAFIE:

1. CHIMIE, manual pentru clasa aXII-a; Editura didactica si pedagogica, Bucuresti, 1994.
2. CAND LEMNUL SE TRANSFORMA IN MATASE… , Editura enciclopedica romana, Bucuresti 1969.
3. CHIMIE ORGANICA, C. Nemtean; Editura didactica si pedagogica.
4. BAC. 98 – CHIMIE. Subiecte rezolvate, Editura Dacia, Cluj-Napoca.
5. REVISTA FIZICA si CHIMIE , Ian. – Feb. 1987; Nr. 1 -2.

BIOMOLECULELE CELULARE

in Biologie/Chimie by

Materia vie fata de material nevie este formata din structurarea bioelementelor intr-un mod si dupa o logica cu totul aparte specifica numai viului.

Bioelementele in materia vie se structureaza inasa fel incat ea capata acele proprietati si valente ce o fac sa se deosebeasca de materia nevie.

Bioelementele se structureaza in material vie dupa legaturi chimice si biochimice specific, intr-o anumita ordine strict controlata.

Originea bioelementelor

Cercetarile recente sugereaza ca in istoria indepartata a pamanatului au existat numerosi compusi organici diferiti in concentratii mari.Ei erau abundenti la suprafata oceanelor formand spuma oceanic calda. Din aceasta spuma de compusi organic au aparut primele forme de organizare a materiei vii care avea sa structureze primele forme celulare.

Organismele vii au aparut acum aprox. 4000 de mil. Ani, cercetarile arata existenta unor forme fosile de bacteria asemanatoare cu cele de azi, dar care au o vechime de cel putin de 3000 de mil de ani.

1920 – biochimistul rus Opai a sugerat ca procesele chimice si fizice natural ar fi putut conduce la formarea pe cale abiotica a unor compusi organic simpli cum ar fi : aminoacizii, glucidele din ammoniac sau vapori de apa sau alte substante, compusi pe care apreciaza atmosfera primitiva a pamantului.

Conform teoriei sale, gazele din atmosfera primitive au fost activate de energia solara sau fenomenele de descarcari electrice si astfel au putut reactiona intre ele.

Produsii organici simpli s-au imbogatit, condensate si s-au dezvoltat in oceanul primitive al pamantului care s-a imbunatatit cu o mare varietate de compusi organici.

Opai considera ca prima celula a aparut spontan din spuma oceanic calda, ipoteza ce a fost apoi cercetata independent si de alti cercetatori.

In Anglia, Holdane confirma prin cercetarile sale originea materiei vii pe care o sustine prin teoria “originea materiei vii”.

Teoria conform careia compusii gazosi prezenti in atmosfera primitiva a pamantului ar fi precursorii compusilor organic este puternic sustinuta si in prezent de cercetatori in domenii din multe laboratoare.
1953 – Miller demonstreaza experimental modul de formare a primelor substante biologice in special a unor monomer din care s-a presupus ca s-au format straturi moleculare celulare complexe.

Miller cu o instalatie relativ simpla demonstreaza modul de formare a unor compusi biologici important.

In recipient Miller introduce CH4, NH3, apa si H2 compusi pe care considera ca existau in atmosfera primitiva a pamantului. Ca sa determine intrarea in reactie a acestor substante primitive, balonul este prevazut cu doi electrozi intre care se produce o scanteie electrica.

Experientele s-au desfasurat continuu pe parcursul unei saptamani dupa expirarea timpului experimental s-au corectat si analizat produsii din flacon. Faza gazoasa continea oxid de Sulf, CO2 si N2, care s-au format din gazele introduse initial.

Din condensator s-au colectat o serie de substante organice solubile in apa care au fost analizate prin metoda cromatografica.

In urma analizelor au fost pusi in evidenta o serie de aminoacizi: glicocol, alanina, ac. Aspartic, ac. Glutamic, compusi ce intra in prezent in structura proteinelor.

Tot printre substantele colectate din condensator el a gasit unii acizi organici simpli(acid fumaric, acetic, propionic, lactic, succinic,) in structura celulei vii.

Experientele lui Miller au fost efectuate intr-un sistem bogat in compusi redusi cum ar fi: metanul si amoniacul, dar in experientele ulterioare el a inlocuit acesti compusi cu amestecuri continand: N, H, CO si CO2, amestecuri ce au fost supuse energiei radiante si in urma acestor experimentari Miller a obtinut unii aminoacizi dar si alte molecule organice .

Astfel Miller a demonstrat ca precursorii(metan , amoniac), nu au fost esentiali in formarea abiotica a moleculelor organice.

Din diferitele amestecuri de gaze simple se pot obtine molecule organice prin actiunea unor forme diferite de energie radiante, lumina vizibila, raze X, radiatii γ, descarcari electrice cu scanteie sau neluminoase, cat si alte forme de energie (ultrasunete,unde de soc, particule ∝sau β) care se presupune ca au existat in atmosfera primitiva a pamantului si au contribuit la intrarea in reactie a compusilor organici simpli sau complecsi cu formare de molecule biologice.

Toti aminoacizii obisnuiti prezenti in proteine, bazele azotate (A,G,C,U,T) precum si unii acizi organici si glucidele au putut fi pusi in evident ca produsi finali ai unor experimente efectuate de diferiti cercetatori.

Pare foarte posibil ca oceanul primitiv sa fi fost intradevar bogat in compusi organici dizolvati printre care se aflau toate moleculele de baza pe care le gasim astazi in celula vie.

In concluzie se poate spune ca precursorii principalelor bioelemente s-au format in atmosfera primitive datorita conditiilor specific existente la momentul respectiv.

IERARHIZAREA MOLECULARA A CELULEI

La nivel celular structurile moleculare sunt organizate intr-o ierarhie progresiva pornind de la bioelemente pana la structurile supramoleculare cele mai complexe (reticul endoplasmatic, mezozomi,nucleu si celula ).

Toate bioelementele deriva din precursori foarte simpli, precursori ce nu sunt altceva decat compusi ai mediului de cultura ce au in general masa moleculara mica (18-44d) si sunt reprezentati de : dioxid de carbon, apa, amoniac, azot.

Toti compusii cu masa moleculara mica formeaza prima treapta din ierarhia organizarii moleculare a celulei. Ei sunt considerati precursori de structura pentru componentii moleculari ai celei de-a 2-a treapta de organizare a celulei.

Precursorii din prima treapta sunt tranformati prin intermediul cailor metabolice intermediare in compusi molecular cu masa relativ mare de aprox.100- 300d ce reprezinta unele biomolecule celulare sau monomer de structura celulara.

Monomerii structurii celulare constituienti ai proteinelor, glucidelor, lipidelor, acizi nucleic care formeaza baza structurala a ciclului.

Din monomerii de celula rezulta substante cu masa molecular cuprinsa intre 103 si 104d.
Fiecare dintre aceste biomolecule au grade diferite de organizare, unele dintre ele pot avea mase moleculare foarte mari(proteinele, polizaharidele) iar unele pot avea masa moleculara relativ mica.

Aceste biomolecule au capacitate biologica de a asocial spontan si de a forma structura complexe de tipul unor particule mari – fosfolipidele din mebrana celulara.

Acizii nucleici, proteinele polizaharidele si lipidele pot fi considerate biomacromolecule si formeaza ce-a de-a 4 a treapta de organizare a celulei.

La un nivel imediat superior in celula, biomacromoleculele diferitelor clase moleculare se asociaza intre ele formand ansamble supramoleculare de tipul: ribozomi. Microtubule, cromozomi.

Aceste structuri supramoleculare au in component lor mai multe biomolecule intre care se stabilesc legaturi functionale. De exemplu fiecare ribozom dintr-o celula bacteriana contine 3 molecule diferite de ARN( ARN – 5S, ARN – 16S, ARN – 23S) si au aprox. 20 -40 de molecule diferite de proteine.

Exista totusi o diferentza neta in modul de asamblare a componentelor biomoleculare. In complexele supramoleculare, macromoleculele component nu sunt legate covalent intre ele ci prin legaturi intermoleculare slabe si necovalente.

De exemplu acizii nucleic si proteinele din ribozomi sunt legate prin forte slabe necovalente, cum ar fi interactiile hidrofobe sau fortele Van der Waals. Cu toate ca aceste structuri supramoleculare sunt unite prin forte relative slabe ele sunt surprinzator de stabile in cadrul sistemului biologic.

Aceasta stabilitate este data probabil de specificitatea legaturilor ce se realizeaza pe principiul complementaritatii geometrice a diferitelor forme moleculare, principiu ce asigura o imbinare perfecta, precisa si stabila a partilor componente.

La cel mai inalt nivel de organizare in ierarhia moleculara a celulei, diferitele complexe si sisteme supramoleculare sunt asamblate la randul lor in structure celulara specifice: nucleu, mezozomi, membrane, perete celular, flageli. Si la acest nivel, diferitele elemente supramoleculare sunt unite intre ele tot prin fortele covalente.

FORMAREA BIOMOLECULELOR

Dintre toate elementele chimice care participa la structurarea materiei vii, 4 sunt esentiale in formarea biomoleculelor: carbonul, azotul, hidrogenul, oxigenul. Aceste bioelemente prezente aproape intotdeauna in sursele nutritive ale microorganismelor au proprietatea de a stabili intre ele legaturi covalente, legaturi ce se realizeaza prin punerea in comun a electronilor dupa legi chimice bine cunoscute.

Astfel hidrogenul, pentru formarea unei legaturi covalente are nevoie de un electron, oxigenul de 2, azotul de 3, chiar carbonul de 4. In plus, 3 dintre aceste elemente : C, N, O, pot pune in comun una sau 2 perechi de electroni formand astfel leg. Simple sau duble. Proprietate care le confera o mobilitate considerabila in formarea biomoleculelor.

Cele 4 bioelemente ce stau la baza formarii biomoleculelor, prezinta o serie de proprietati ce faciliteaza formarea cu usurinta a acestora in cadrul sistemului biologic.

Principalele proprietati ale biolementelor formatoare de biomolecule:

C, N, H, O sunt elementele chimice ce formeaza cel mai usor legaturi covalente. De altfel este de stiut ca taria unei legaturi covalente este invers proportionala cu masa atomica a atomilor intre care se stabileste legatura si ca urmare rezulta ca aceste 4 bioelemente pot forma legaturi covalente foarte puternice si biomolecule stabile.

Atomii de C se pot lega cu usurinta intre ei deoarece in cadrul sistemului biologic un atom de carbon poate, fie sa accepte fie sa doneze 4 electroni pentru a realiza un octet exterior, dar poate forma si legaturi covalente cu alti 4 atomi de C, marind in felul acesta gradul de complexitate a biostructurii. Aceasta permite formarea de catene liniare ramificate sau ciclice, asigurandu-se astfel formarea unor mari varietati de biomolecule.

Atomii de C pot forma legaturi covalente si cu O, H, N, si S ce face ca in structura unei biomolecule sa fie introduse nenumarate tipuri de grupari functionale.

Compusii organici ai C datorita configuratiei tetraedrice a perechilor de electroni din jurul carbonului legat simplu, fac posibila obtinerea unei mari diversitati de biostructuri tridimensionale, ca urmare a stabilirii de legaturi covalente de tipul C-C. In cadrul unei biostructuri complexe cum ar fi : poliglicidele si proteinele, nici un alt element chimic face posibil stabilirea atator legaturi chimice si formarea unei mari varietati de forme molecular foarte diferite structural si functional.

Datorita acestor proprietati a bioelementelor de baza in formarea biomoleculelor este posibila includerea in biostructura si a altor bioelemente (Mn, Co, Cu,Zn, S, P), in felul acesta se asigura o buna functionare a sistemului celular.

Go to Top

Copyright © 2016 by CYD.RO. Toate drepturile sunt rezervate
Designed by Dianys Media Solutions - realizare site web - creare site web

loading...