BCM_curs
Biologie Celulara si Moleculara
Curs 1: Introducere în biologia celulară și moleculară
Biologia este derivată din greacă: Bíos (bios) = viață, Aóyos (logos) = știință.
Biologia studiază viața și organismele vii, incluzând structura, funcția, dezvoltarea, evoluția, distribuția și taxonomia.
Ramuri ale biologiei: botanica, anatomia, zoologia, histologia, micologia, embriologia, parazitologia, genetica, biologia moleculară, sistematica, imunologia, microbiologia, biologia celulară, fiziologia, ecologia, virologia.
Ramuri interdisciplinare: biochimia, biofizica, biomatematica, bio-ingineria, antropologia.
Importanța Biologiei Celulare și Moleculare
Nu sunt furnizate detalii specifice în transcript, dar se subînțelege că este fundamentală pentru înțelegerea vieții.
Ce este viața?
Nu este definită explicit în acest fragment.
Nivele de Organizare a Materiei Vii
De la atomi la biosferă: atom → moleculă → macromoleculă → organit → celulă → țesut → organ → sistem de organe → organism → populație → comunitate → ecosistem → biosferă.
Șirul lui Fibonacci
Șirul lui Fibonacci: 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21,…
Exemplu de apariție în natură (ramificarea copacilor).
Formula:
Caracteristicile Viului
Ordine: Organismele au structuri bine definite și ordonate. Atomi → molecule → macromolecule → organite → celule → țesuturi → organe → sisteme de organe → organism. Organismele formează populații ce sunt parte a unui ecosistem.
Sensibilitate: Reacție la stimuli.
Creștere, dezvoltare și reproducere: Cresc, se dezvoltă și transmit ereditar proprietățile.
Autoreglare: Mecanisme de reglaj coordonează funcțiile specifice.
Homeostazie: Menținerea constantă a proprietăților mediului intern, diferite de cele externe.
Celula
Unitatea structurală și funcțională a vieții.
Toate organismele sunt formate din una sau mai multe celule.
Metabolismul Celular
Celula este sediul reacțiilor chimice/enzimatice.
Căi catabolice (descompunere) și anabolice (sinteză).
Schimb de substanțe între celulă și mediu (O2, CO2).
Dimensiuni și Specializare Celulară
Celula e limitată de raportul volum/suprafață.
Specializare: celule sexuale, musculare, adipoase, imune, stem, osoase, epiteliale, nervoase, sanguine.
Concepte de Bază
Teoria celulară: Celula este unitatea fundamentală a lumii vii.
Organismele vii: Una sau mai multe celule și produșii secretați de acestea.
Celula conține informația ereditară transmisă prin diviziune celulară.
Genetica: Genele sunt unitățile de bază de codificare a informației ereditare.
O genă: Regiune de ADN care dirijează forma sau funcția unui organism.
Toate organismele se bazează pe ADN transformat în proteine.
Energetica celulară: Supraviețuirea depinde de aportul continuu de energie.
Hrana: Energie chimică necesară pentru creștere și dezvoltare.
Teoria evoluției: Viața se schimbă și se dezvoltă prin evoluție (teoria darwinistă).
Toate formele de viață derivă dintr-o formă ancestrală (acum 3.5 miliarde de ani).
Motorul evoluției este selecția naturală, driftul genetic și selecția artificială.
Evoluția Vieții pe Pământ
Precambrian, Paleozoic, Mesozoic, Cenozoic.
Evenimente importante: apariția vieții, oxigenarea atmosferei, evoluția eucariotelor, colonizarea uscatului de către plante, apariția reptilelor, dinozaurilor, păsărilor, mamiferelor, extincții în masă.
Concepte Evolutive
Microevoluție și macroevoluție.
Studii noi resping teoria darwinistă.
Cintezele lui Darwin
Adaptarea cintezelor la diferite habitate și surse de hrană pe insulele Galapagos.
Studiul Organismelor Vii
Structura chimică și moleculară a celulelor.
Organitele celulare.
Fiziologia celulară.
Interacțiunile celulelor cu mediul.
Ciclul de viață al celulelor.
Diviziunea celulară.
Moartea celulară.
Studii la nivel microscopic și molecular.
Biologia Celulară și Moleculară
Biologia celulară (citologia): Studiul celulelor.
Biologia moleculară: Studiul mecanismelor biologice la nivel molecular.
Organizare celulară și moleculară.
Tehnici Utilizate
Microscopia (optică, electronică, de forță atomică).
Cromatografia.
Electroforeza.
Reacția de polimerizare în lanț (PCR).
Hibridizarea genetică.
Ingineria genetică.
Secvențierea.
Scurt Istoric
1600: Robert Hooke observă celule vegetale moarte.
1700: Anton van Leeuwenhoek studiază picătura de apă și descrie primele bacterii.
1838: Matthias Schleiden: plantele sunt formate din celule.
1839: Theodor Schwann: organismele animale au la bază structura celulară.
Organizarea Celulară
Nivel înalt și complex de organizare.
Forme și dimensiuni variate, reflectând funcția.
Similitudine considerabilă în compoziția macromoleculelor.
Proprietățile Fundamentale ale Celulelor
Organizare complexă.
Dețin informație genetică și mijloacele de a o folosi.
Achiziționează și consumă energie.
Gamă largă de reacții chimice.
Activitate mecanică.
Răspuns la stimuli.
Autoreglare.
Evoluție.
Tipuri de Celule
Celulă procariotă: bacterii, cianobacterii, arhebacterii, eubacterii, alge unicelulare, protozoare.
Celulă eucariotă: levuri (drojdii), mucegaiuri (Fungi), celula vegetală, celula animală.
Celula Procariotă
Dimensiuni mici.
Citoplasmă înconjurată de membrană celulară și perete celular dur.
Fără compartimente interne; material genetic concentrat în nucleoid.
Organisme unicelulare (bacterii și arheobacterii).
Nu prezintă nucleu sau organite.
Ciclu de viață scurt (reproducere în 20 min - 10 ore).
Reproducere prin diviziune binară (bacterii) sau mitoză (organisme superioare unicelulare).
Componente: perete celular, membrană plasmatică, citoplasmă, ribozomi, nucleoid, plasmide, cili, flageli, capsulă.
Celula Eucariotă
Compartimentare (nucleu delimitat de membrană).
Organite subcelulare cu funcții specifice.
Celulele vegetale au vacuole.
Vezicule pentru depozitare și transport.
Cito-schelet proteic.
Pot avea perete celular (celulozic la plante, chitinos la fungi).
Mai mari decât celulele procariote.
Prezintă nucleu și organite.
Ciclu de viață relativ lung (reproducere în 6 ore - 40 de ani).
Ciclu complex de reproducere: mitoză (celule somatice), meioză (celule sexuale).
De la exterior la interior: perete celular (uneori), membrană plasmatică, citoschelet, citoplasmă, ribozomi, nucleu, organite (mitocondrii, reticul endoplasmatic, aparat Golgi, vacuolă, lizozomi, centrioli).
Curs 2: Organizarea celulelor. Diferentiere celulara. Tipuri de celule
Aceleași proprietăți fundamentale ale celulelor:
Organizare complexă
Informație genetică
Consum de energie
Reacții chimice
Activitate mecanică
Răspuns la stimuli
Autoreglare
Evoluție
Tipuri de celule: procariote și eucariote
Celula procariotă: bacterii, cianobacterii, arhebacterii, eubacterii, alge unicelulare, protozoare
Celula eucariotă: levuri (drojdii), mucegaiuri (Fungi), celula vegetală, celula animală
Celula procariotă:
Dimensiuni mici
Citoplasmă, membrană celulară, perete celular
Nucleoid (fără nucleu), fără organite
Reproducere rapidă
Componente: perete, membrană, citoplasmă, ribozomi, nucleoid, plasmide, cili, flageli, capsulă
Celula eucariotă:
Compartimentare (nucleu)
Organite specializate
Ciclu de viață lung, reproducere complexă
Componente: perete (uneori), membrană, citoschelet, citoplasmă, ribozomi, nucleu, mitocondrii, reticul endoplasmatic, Golgi, vacuolă, lizozomi, centrioli
Celula eucariotă - compartimentarea
Organite fără membrană: ribozomi, centromeri
Organite cu membrană simplă: vacuolă, aparat Golgi, reticul endoplasmatic
Organite cu membrană dublă: nucleu, mitocondrii, cloroplaste
Comparatie celule eucariote și procariote, și virusuri.
Celule eucariote au nucleu și organite, versus
Procariote, și virusuri nu au.
Similitudini între celule procariote și eucariote::
Membrana plasmatică
Informația genetica este codificată în ADN
Mecanisme similare pentru transcripție și translație
Căi metabolice similare
Conservarea energiei chimice (ATP)
Teoria celulară - celula este unitatea fundamentală a lumii vii.
Organismele vii - formate dintr-una sau mai multe celule
Celule epiteliale columnare, celule sanguine rosii, celula ovul, celule musculare netede, celula osoasa, celula spermatica, celula nervoasa
FORME CELULARE
Poliedrică (Ficatul)
Cubică (Rinichiul)
Rotundă (Ovar)
Pavimentoasă (mezenterul)
Stelată (maduva spinării)
Oase, creier, plămân, sânge, inimă, ficat, mușchi, pancreas, rinichi, spermatozoid, ovul
Epiteliul veziciii billiare ca exemplu de epitelii.
Celulele cerebrale (neuroni și celule gliale)
Celulele epiteliului intestinal
Celule stem
Celule primordiale - spermatozoid, ou
Primele celule - celule stem pluripotente
Celulele specializate - DIFERENŢIERE - la om - circa 250 de tipuri diferite de celule diferenţiate.
Celule stem cu exemple de aplicabilitatea. Celule endoteliale, celule osoase, celule pancreatice Celule sangvine Celule musculare Celule cartilaginoase Celule cardiace Celule nervoase Celule hepatice
Scheme cu clevage of ovum și blastocyst development.
Diferentiere celulara scheme și explicații.
Cursul 3: Învelișul celular
Organizare moleculară, funcții.
Structura cursului
Învelișul celular
Membrana celulară
Organizare moleculară
Proprietățile bistratului lipidic
Asimetria componentelor membranare
Funcțiile membranei celulare – protecție, comunicare, transport
De ce este importantă membrana celulară?
Realizează transportul molecular și ionic
Realizează conexiunile intercelulare
Este sediul reacțiilor enzimatice
Are rol în semnalizarea celulară
Permite recunoașterea, legarea și transmiterea moleculelor semnal care înmagazinează informație
Rol în imunitate
Membrana celulară – definiție
Ultrastructura subțire, cu grosime de câțiva nm, flexibilă, care delimitează conținutul celular de mediul extracelular dar o și unește cu acesta, conferind individualitate celulei și contribuind la menținerea diferențelor esențiale între citosol și mediul extracelular
Constituie baza adezivității celulelor (la un substrat)
Învelișul celular
Glicocalix
Plasmalema
Citoschelet membrana
1. Glicocalix
Stratul superficial, complex glicoproteic
Învelișul glucidic al celulei (suprafața externă a învelișului celular, alcătuită din componentele glucidice ale macromoleculelor membranare, expuse pe suprafața externă a membranei)
2. Plasmalema
Membrana celulară
Stratul mijlociu
Membrana celulară propriu-zisă, lipoproteică
3. Citoschelet membranar
Rețeaua de proteine a învelișului celular – rol de suport, structură
Raportul suprafață/volum
Exemplu comparativ.
Membrana celulară = bistrat lipidic și molecule proteice, carbohidrați
Bistratul lipidic este cea mai simplă structură posibilă de aranjare a lipidelor ce poate conferi eficiență în izolarea a două medii (intracelular/extracelular)
Structură lipoproteică de “mozaic fluid” cu grosimea de 6-10 nm.
“mozaic fluid” - bistrat lipidic penetrat total sau parțial de molecule proteice
De ce LIPIDE?
LIPIDELE sunt componente ideale pentru structura membranelor celulare datorită proprietăților fizico - chimice
Rezolvă problema separării a două medii apoase (interiorul celulei de exteriorul celulei)
Conferă independență în comportamentul celor două fețe ale membranei
Mozaicul fluid al membranelor celulare
Exterior (apos)
Membrana celulară
Lanț carbohidrat
Colesterol
Filamente citoschelet
Proteina
Glicoproteină
Suprafața externă
Dublu strat fosfolipidic
Suprafața internă
Interior (apos)
Avantajele membranelor lipidice
Structura și caracterul lor induce proprietăți duale arhitecturii pe care o organizează:
Partea hidrofobă creează o barieră,
Partea hidrofilă conferă capacitatea de a acomoda mediile apoase aflate de o parte și de cealaltă, adică interiorul, respectiv exteriorul celulei.
Conferă posibilitatea asamblării spontane
Lipidele sunt molecule mici, cu mobilitate mare, pot asambla alte structuri
Fiind relativ insolubile în medii apoase au tendința de asociere spontană conferind structurilor proprietăți specifice:
de a-și păstra integritatea
de a se reface rapid atunci cand suferă leziuni mecanice.
Organizarea moleculară a membranei celulare
Compoziție chimică
Apă: 20-30%
Reziduu uscat: 70 – 80%
Substanțe minerale: 1%
Substanțe organice: 99%
Lipide: 50-80%
Proteine: 20-40%
Componentă glucidică: 1 – 10%
A. Lipide (bistrat)
Fosfolipide 70-75%
Colesterol 20 – 25%
Glicolipide 1 – 10%
B. Molecule proteice
Proteine structurale
Proteine globulare/integrale:
Por
Canal
C. Carbohidrații
Oligozaharidele
Polizaharidele legate covalent la proteinele sau lipidele membranare
Eterogenitatea și complexitatea lipidelor membranare
Eterogenitatea fosfolipidelor
FOSFOLIPIDELE – ca și abundență sunt cele mai bine reprezentate lipide din membranele celulare
Fosfogliceride (glicerofosfatide) – au glicerină în structură
Fosfosfingozide (sfingofosfatide) – sfingozină (un AA)
Structura unui fosfoglicerid
Fosfogliceride
Substituent x - poate fi inlocuit de SERINA sau ETANOLAMINA
Fosfosfingozide
FOSFOGLICERIDELE
Fosfatidilcoline (PC) – colina
Fosfatidiletanolamine (PE) – etanolamina
Fosfatidilserine (PS) – serina
Fosfatidilinozitol (PI) – inozitol
Acid fosfatidic (PA) – atom de H
Majoritare sunt PC, SM, PE, PS. PA, PI – pană la 1% fiecare, dar sunt implicate în procese celulare foarte importante
FOSFOSFINGOZIDE (sfingolipide)
Sfingomielinele (SM)
Dispunerea asimetrică a lipidelor în bistrat
Stratul extern
fosfolipidele PC și SM
glicolipidele
Stratul intern
Fosfolipidele PE, PS, PI
Prezența fosfolipidelor în stratul extern este un indiciu de apoptoză celulară
colesterolul – egal distribuit între ambele fețe ale bistratului
Caracteristică esențială în realizarea funcțiilor celulare
Diversitatea Acizilor Grași din structura fosfolipidelor
ACIZII GRAȘI cu mai puțin de 12 atomi de C
Dacă sunt prea putini atomi de C este afectata integritatea bistratului deoarece crește solubilitatea lipidelor (sporește caracterul hidrofil)
ACIZII GRAȘI cu peste 24 atomi de C
crește caracterul hidrofob,
scade permeabilitatea selectivă
și fluiditatea bistratului lipidic
Proprietățile fluide ale bistratului lipidic
Mişcarea lipidelor și proteinelor se realizează bidimensional
I. Mișcări intramoleculare
II. Mișcări intermoleculare
Dinamica membranelor celulare
Este conferită de:
mobilitatea lipidelor și proteinelor membranare – relativ constanta
fluiditatea bistratului lipidic – influentata de factori:
1. Fizici
PRESIUNEA
TEMPERATURA
2. Chimici
INTRINSECI
EXTRINSECI
Exemple:
Creșterea conținutului de colesterol în membrană - scade fluiditatea;
Creșterea lungimii catenelor din structura acizilor grasi – scade fluiditatea;
Creșterea gradului de saturație al acizilor grași din structura lipidelor – scade fluiditatea;
Creșterea conținutului membranar în glicolipide polare (gangliozide) – scade fluiditatea
substante chimice, medicamente etc.
Matricea extracelulara:
Secretata de celule
Contine colagen, glicozamine, proteoglicani si glicoproteine
Confera structura organismului si sustine membranele plasmatice, pentru a rezista gravitatii si tensiunii
colagenul: 25-30% din masa totala a corpului
Colagenul:
Componenta principala a pielii si oaselor
Exista
Colagen fibros - polimerizeaza pentru a forma fibre,
In principal in zonele unde se aplica presiune – spre oase, si in partea dermala a pielii
colagen bilaminar
In lamina bazala
Rol de adeziune
Rol de sustinere (celule musculare)
Rol de filtrare (rinichi)
Glicozaminele:
Alcatuite din repetitii de doua tipuri de glucide – glicozaminoglicani
Denumite si mucopolizaharide – proprietati vascoase
Proteoglicani:
Apar prin combinarea unor glicozamine cu proteine
Pot retine apa – au rol in formarea spatiului extracelular si absorb socurile
Glicoproteinele
Oligozaharide la care se ataseaza aminoacizi
Rol in adeziune
Funcțiile membranei celulare
Funcția de transport/barieră
Funcția de semnalizare/metabolică
Transportul celular: Pasiv vs. Activ
Celula trebuie sa faca schimb de substante cu mediul sau inconjurator!
Bistratul lipidic al membranei celulare nu este miscibil nici cu lichidul extracelular și nici cu lichidul intracelular.
De aceea, el constituie o bariera în calea deplasarii moleculelor de apa și a substantelor hidrosolubile între compartimentele extracelular și intracelular
Transportul celular se realizeaza si este complex!
Tipuri de Transport Transmembranar
Transport pasiv: Nu necesită energie
Difuzie simpla
Osmoza
Difuzie facilitata
Transport activ: Necesită energie
Endocitoza
Fagocitoza
Pinocitoza
Pompe ionice
Vezicule
Exocitoza
Mediere de receptor
Transport pasiv
Substanțele traversează membrana plasmatică, fără nici un aport de energie din celulă
Difuzie!
Difuzie simpla
Difuzia este definita ca mișcarea netă a particulelor dintr-o zonă de concentrație mai mare într-o zonă de concentrație mai mica
Difuzie facilitata
Molecule hidrofile, ioni încărcați și molecule relativ mari, cum ar fi glucoza, au nevoie de ajutor pentru difuzare
Intervin proteine speciale din membrană cunoscute sub numele de proteine de transport
Canalele ionice
Sunt proteine membranare care formează pori în membranele tuturor celulelor care reglează mișcarea ionilor selectați de-a lungul unei membrane
Proteine transportoare
Facilitează mișcarea materialelor pe un strat dublu lipidic, dar sunt mai lente decât canalele ionice
Proteinele transportoare se bazează pe un anumit situs receptor pentru recunoașterea adecvată a moleculei care trebuie mutată
Acvaporine
Sunt proteine membranare integrale care conțin pori care permit în mod selectiv trecerea moleculelor de apă în și din celulă, împiedicând în același timp mișcarea ionilor și a altor substanțe dizolvate
Osmoza
Este un tip specific de difuzie - trecerea apei dintr-o regiune cu concentrație mare de apă printr-o membrană semipermeabilă către o regiune cu concentrație scăzută de apă.
Clasificarea soluțiilor:
Izotonică
Hipertonica
Hipotonica
Transport Activ
Unele substanțe necesită energie pentru a traversa o membrană plasmatică, pentru că se deplasează dintr-o zonă de concentrație mai mică într-o zonă de concentrație mai mare. Acest tip de transport se numește transport activ
Energia pentru transport active provine din ATP (adenozin trifosfat)
Cu ajutorul pompelor de transport
Pompa de sodiu-potasiu: este un mecanism de transport active care mută ionii de sodiu din celulă și ioni de potasiu în celule - în toate trilioanele de celule din corp!
Potential de membrana
Aceste diferențe de concentrație creează un gradient electric în celulă membrana, numit potential de membrana
Transportul veziculelor
Unele molecule, cum ar fi proteinele, sunt prea mari pentru a trece prin membrana plasmatică, indiferent de concentrația lor în interiorul și în afara celulei
Molecule foarte mari traversează membrana plasmatică cu un alt fel de ajutor, numit transportul veziculelor
Transportul veziculelor necesită energie, deci este și o formă de transport activ
Clasificare:
Endocitoza
Exocitoza
Endocitoza
Este un tip de transport al veziculelor care mută o substanță în celulă - membrana plasmatică inconjoara complet substanța, o veziculă se îndepărtează de membrană și vezicula transportă substanța în celulă
Clasificarea endocitozei:
Fagocitoză
Pinocitoză
Endocitoza mediata de receptori
Exocitoza
Este un tip de transport al veziculelor, care mută o substanță din celulă
O vezicula ce conține substanța se mișcă prin citoplasmă, catre membrană
Apoi, vezicula fuzionează cu membrana, iar substanța este eliberată în afara celulei
Comunicarea intercelulara
Celulele: parte din tesuturi/organe
schimba substante/energie/informatii cu mediul din jurul lor
se coordoneaza intracelular dar si intercelular
COMUNICA!
Comunicare
A. In scopul realizarii adeziunii celulare – tesuturi
B. intercelulara (prin semnale chimice)
A. Comunicarea in scopul adeziunii:
Patru familii distincte de proteine integrale membranare joacă un rol major în medierea adeziunii celulă-celulă
INTEGRINELE
SELECTINELE
câțiva membri din familia de IMUNOGLOBULINE
CADERINELE
1. INTEGRINELE
Integrinele - o clasă de proteine membranare prezente doar la celulele de origine animală - joacă un rol important în integrarea mediilor extracelulare, respectiv intracelulare.
2. SELECTINELE
Sunt o familie de glicoproteine membranare integrale ce recunosc și leagă o structură specifică de zaharuri ale oligozaharidelor prezentate de către suprafața altor celule.
3. Familia de IMUNOGLOBULINE
Anticorpii, sunt proteine numite imunoglobuline (Ig) cu structură pe bază de lanțuri polipeptidice
4. CADERINELE
Caderinele sunt o familie de glicoproteine ce mediază adeziunea celulă-celulă Ca2+ dependentă și transmite semnale de la exteriorul membranei celulare către citoplasmă.
Legaturile in interiorul tesuturilor:
intre celule si matricea extracelulara
intre celule
legaturi aderente – leaga celulele la nivelul actinei citoscheletice
desmosomi – impreuna cu legaturile aderente, ofera suport mecanic
legaturi de tip gap – formeaza “pori” intre celule adiacente
leagturi stranse – legaturi impenetrabile intre celule
Jonctiuni de tip gap.
permit transportul apei, ionilor si a altor substante
importante in muschiul cardiac
alcatuite din conexoni
legaturi stranse
creaza bariere impermeabile
Legaturi stranse
creaza bariere impermeabile
importante in formarea tesuturilor impermeabile (ex.: epiteliul renal)
Desmozomii
alcatuiti din caderine
importanti in asigurare continuitatii tesuturilor extensibile: piele, muschi cardiac
B. Comunicarea intercelulara
Ce fel de semnale se transmit?
electrice
mecanice
chimice:
factori de crestere
neurotransmitatori
hormoni
gaze (NO)
Cum receptioneaza celula semnalul?
prin receptori specializati (proteine transmembranare)
Etapele comunicarii (generale):
Initiere
Transductie
Raspuns
Localizarea receptorilor
Pe membrana celulară (proteine membranare)
în citoplasmă și la nivelul nucleului
Receptori citoplasmatici (proteine-enzime citoplasmatice)
Receptori nucleari