1

I. MICROORGANISME PROCARIOTE – ULTRASTRUCTURA CELULEI

BACTERIENE

Elementele structurale ale celulei bacteriene au fost clasificate în: elemente structurale

constante (permanente) şi elemente structurale inconstante (nepermanente).

Elemente structurale constante

Peretele celular bacterian

Celula bacteriană este delimitată de un perete celular bine definit structural, având o

consistenţă rigidă. Peretele acoperă membrana citoplasmatică şi poate la rândul său să fie acoperit la

unele specii de o capsulă sau de un strat mucos. Datorită indicelui de refracţie mic, peretele celular

este invizibil, ori foarte greu vizibil, la celulele vii examinate la microscopul fotonic. El poate fi pus

în evidenţă prin colorare selectivă sau prin examinare la microscopul electronic. La bacteriile tinere,

care au citoplasmă abundentă, compactă şi omogenă peretele celular aderă intim la conţinutul celular

subiacent. La celulele bătrâne însă, sau la cele în curs de liză, peretele celular devine evident datorită

îndepărtării de citoplasmă. Examinat la microscopul electronic, peretele celular izolat are aspectul

unui sac gol, care conservă forma bacteriei din care provine şi o constituţie asemănătoare ochiurilor

unei plase. Grosimea peretelui celular variază între 15 – 35 nm, excepţional putând să ajungă la 80

nm. Este mai subţire la celulele tinere faţă de celulele bătrâne.

Ultrastructura peretelui celular este diferită la cele două grupe mari de bacterii (clasificate în

funcţie de afinităţile tinctoriale): bacterii Gram pozitive şi bacterii Gram negative.

La bacteriile Gram pozitive peretele celular apare la microscopul electronic ca un strat unic,

omogen. Componentul care se găseşte în cea mai mare parte în peretele celular al acestor bacterii

(80 – 90 % din greutatea uscată a celulei) este peptidoglicanul sau mureina. În afara acestui

component peretele celular mai conţine proteine, polizaharide şi acizi teichoici. Peptidoglicanul este

un component parietal comun şi caracteristic tuturor bacteriilor, cu excepţia celor din genul

Mycoplasma şi a bacteriilor halofile extreme. Din punct de vedere chimic peptidoglicanul este un

heteropolimer compus dintr-o porţiune glicanică şi o porţiune peptidică. Porţiunea glicanică, foarte

uniformă este formată din două N – acetil – hexozamine diferite: N – acetilglucozamina şi acidul N

– acetilmuramic, legate între ele prin legături β – 1,4. Acizii teichoici (gr. teichos = zid, perete) sunt

prezenţi numai în peretele celular al bacteriilor Gram pozitive, conferindu-le o serie de proprietăţi

importante.

2

La bacteriile Gram negative peretele celular este mai subţire, dar are o structură mai

complexă. El este alcătuit din următoarele structuri: complexul peptidoglican – lipoproteine care

reprezintă 2 – 10 % din greutatea peretelui celular şi are o compoziţie chimică foarte asemănătoare

la toate bacteriile Gram negative; membrana externă a peretelui celular, cu o grosime de 6 – 20

nm, formată din fosfolipide, proteine şi lipopolizaharide; spaţiul periplasmic sau periplasmatic

întâlnit numai la bacteriile Gram negative, cuprins între membrana citoplasmatică şi membrana

externă a peretelui celular. În spaţiul periplasmic se depozitează un mare număr de enzime şi

pigmenţi. Enzimele au rolul de a hidroliza substanţele nutritive pătrunse prin porii membranei

externe, pregătindu-le pentru transportul activ prin membrana citoplasmatică.

Semnificaţia biologică a peretelui celular

Peretele celular reprezintă sistemul de susţinere mecanică a întregii celule. Datorită rigidităţii

sale determină forma caracteristică a celulelor bacteriene şi o apără de acţiunea factorilor

nefavorabili din mediu. Asigură protecţia celulei faţă de şocul osmotic. Participă la procesul de

creştere şi diviziune celulară, urmând membrana citoplasmatică în formarea septului transversal care

separă celula mamă în cele două celule fiice. Datorită porilor, peretele celular permite pătrunderea în

celulă a substanţelor nutritive şi eliminarea substanţelor rezultate din metabolism. Participă indirect

la deplasarea bacteriilor ciliate, constituind suportul rigid pe care se sprijină cilii în contracţie.

Conţine substanţele care dau specificitatea antigenică a celulelor şi receptori specifici pentru fixarea

bacteriofagilor (virusuri care parazitează bacteriile).

Membrana citoplasmatică

Membrana citoplasmatică acoperă citoplasma celulei bacteriene separând-o de suprafaţa

internă a peretelui celular de care este, de obicei, strâns lipită. Poate fi pusă în evidenţă şi la

microscopul fotonic, după o colorare selectivă cu albastru Victoria, sau fără colorare, la bacteriile vii

examinate în câmp întunecat, caz în care apare ca o linie netă, luminoasă, strălucitoare. La

microscopul electronic, pe secţiuni ultrafine membrana citoplasmatică prezintă o structură

tristratificată, tipică tuturor membranelor biologice: două foiţe opace la electroni ce limitează o foiţă

internă electronotransparentă. Grosimea membranei citoplasmatice este de 7,5 – 10 nm şi nu

prezintă pori. Din punct de vedere chimic este formată din proteine, lipide şi glucide. Membrana

citoplasmatică este prevăzută cu numeroase invaginări de formă veziculară, lamelară sau tubulară

care pătrund în citoplasmă. Aceste invaginări sunt denumite mezozomi şi împreună cu membrana

citoplasmatică din care derivă formează sistemul membranar unic sau “unit membrana”.

Mezozomii au caracteristicile structurale ale membranei plasmatice din care derivă. Sunt mai

numeroşi şi mai bine dezvoltaţi la bacteriile Gram pozitive comparativ cu bacteriile Gram negative

unde sunt, în general, rudimentari, slab dezvoltaţi ca mărime şi mai puţini ca număr. Mezozomii

3

sunt structuri multifuncţionale. Au o deosebită plasticitate structurală ca răspuns la nevoile variate

ale celulei. Formarea lor reprezintă o modalitate prin care celula bacteriană îşi măreşte suprafaţa

membranei citoplasmatice, în funcţie de condiţiile de mediu. De aceea, se consideră că nu ar avea

funcţii diferite faţă de cele ale membranei plasmatice. Mezozomii sunt legaţi atât de membrana

plasmatică, cât şi de materialul nuclear, având rol important în controlul replicării cromozomului

bacterian. Mezozomii sunt implicaţi şi în sinteza membranei plasmatice, a peretelui celular şi a

septului transversal care separă celulele după diviziune.

Semnificaţia biologică a membranei citoplasmatice

Membrana citoplasmatică reprezintă o componentă permanentă a celulei bacteriene, având

rolul de a delimita spaţiul intracelular. Pentru celula bacteriană membrana citoplasmatică reprezintă

o barieră osmotică semipermeabilă, asigurând o rapidă echilibrare a ionilor de sodiu între interiorul

şi exteriorul celulei, o concentrare intracelulară a ionilor de potasiu şi magneziu, precum şi a unor

metaboliţi. Membrana citoplasmatică este sediul a numeroase enzime respiratorii, reprezentând o

importantă structură cu rol energetic. Membrana citoplasmatică coordonează creşterea şi diviziunea

celulară, iniţiind replicarea cromozomului bacterian şi asigurând separarea cromozomilor fii, prin

formarea septului transversal de diviziune.

Materialul nuclear

Spre deosebire de celulele eucariote care au un nucleu cu structură bine definită, mărginită de

o membrană, conţinând un număr definit de cromozomi capabili de diviziune mitotică, materialul

nuclear bacterian are o formă primitivă de organizare, lipsit de membrană, situat în partea centrală a

celulei şi care nu suferă modificări de tip mitotic în cursul ciclului de diviziune. Datorită

caracteristicilor sale particulare, această structură a fost desemnată cu numeroşi termeni: nucleoid,

nucleozom, material nuclear, nucleoplasmă, cromozom bacterian etc. Din punct de vedere

chimic materialul nuclear conţine 60% ADN, 30% ARN şi 10% proteine. Se pare că ARN-ul şi

proteinele contribuie la conservarea unităţii structurale a nucleoplasmei, în lipsa unei membrane

proprii. Evidenţierea materialului nuclear bacterian la microscopul fotonic nu se poate face prin

colorare selectivă decât după îndepărtarea ARN-ului citopasmatic, realizată prin hidroliza acidă sau

enzimatică cu ribonuclează. Cu ajutorul acestor tehnici materialul nuclear apare sub diferite forme:

granule sferice sau ovalare, halteră, bastonaşe izolate sau dispuse în V etc., reprezentând 5 – 16%

din volumul celulei. Pe micrografiile electronice se constată localizarea materialului nuclear în

partea centrală a celulei. El se prezintă ca o zonă clară, cu o densitate medie mai mică decât cea a

citoplasmei înconjurătoare. Pe secţiuni ultrafine s-a observat că regiunea nucleară este plină cu

filamente foarte fine, uneori aranjate în şiruri ondulate, paralele asemănătoare unei papiote de aţă,

câteodată răsucită. Aceste filamente sunt formate din ADN şi corespund cromozomului bacterian. În

4

mod normal, bacteriile aflate în faza de repaus, în culturi staţionare şi vechi au un singur cromozom,

deci sunt uninucleate. În faza de creştere activă, în culturi tinere, pe medii optime ele apar

multinucleate, având 2 – 4 cromozomi, identici genetic, deoarece provin prin replicarea

cromozomului parental. De aceea, indiferent de aspectul morfologic al materialului nuclear, din

punct de vedere genetic bacteriile sunt haploide. Apariţia bacteriilor multinucleate este rezultatul

unei lipse de sincronizare între ritmul de creştere şi ritmul de diviziune celulară. Bacteriile

multinucleate apar şi sub influenţa unor condiţii de mediu. Astfel, sub acţiunea penicilinei, care

blochează sinteza mureinei din peretele celular, aceasta nu mai poate participa la formarea septului

transversal de diviziune şi apar astfel celule filamentoase sau globuloase cu mai mulţi nuclei.

Semnificaţia biologică a materialului nuclear

Cromozomul bacterian poartă în structura sa întreaga informaţie genetică necesară pentru

biosinteză, creştere, diviziune, reglarea activităţii celulare etc. Determină arhitectura celulei

bacteriene, ereditatea şi capacitatea ei de evoluţie. Datorită lipsei membranei proprii, un contact

direct între ADN şi ribozomii din citoplasmă face ca transferul informaţiei genetice să se facă foarte

rapid.

Incluziunile citoplasmatice

Incluziunile sunt formaţiuni structurale ce cuprind o serie de substanţe inerte depuse în

citoplasma celulei, cu rol de substanţă de rezervă. După structura lor, evidenţiată la microscopul

electronic, ele sunt de două tipuri:

A - incluziuni înconjurate de membrană: incluziuni de poli β-hidroxibutirat, incluziuni cu

sulf şi carboxizomii;

B - incluziuni neînconjurate de membrane: incluziuni de polimeri anorganici, incluziuni

polizaharidice, rhapidozomii şi magnetozomii.

Incluziunile de poli β-hidroxibutirat sunt specifice numai procariotelor. Aceste incluziuni se

observă uşor datorită gradului mare de refringenţă sau pot fi puse în evidenţă după o colorare

specifică pentru grăsimi (negru de Sudan). În celulele vii apar ca granulaţii rotunde foarte

refringente şi reprezintă un material de rezervă tipic pentru procariote.

Incluziunile cu sulf apar sub forma unor corpusculi strălucitori, birefringenţi la două grupe

ecologice de bacterii: bacterii sulfuroase purpurii (genul Chromatium) şi la bacterii sulfuroase

nepigmentate (genurile Beggiatoa, Thiothrix). Granulele de sulf se găsesc în cantităţi mari la

bacteriile care cresc în medii bogate în hidrogen sulfurat şi reprezintă un depozit, deoarece dispar

prin oxidarea sulfului, dacă aceste bacterii sunt transferate într-un mediu sărac în hidrogen sulfurat.

5

Carboxizomii sunt incluziuni cu profil poliedric în număr variabil (1 – 200) prezenţi la

bacteriile care fixează CO2 pe calea pentozofosfaţilor. Sunt localizaţi în vecinătatea nucleoplasmei şi

reprezintă locul de depozitare a enzimelor cu activitate în fixarea CO2 .

Incluziunile de polimeri anorganici se mai numesc și incluziuni de volutină, denumire dată

de Grimm (1902) deoarece au fost găsite în număr mare la bacteria Spirillum volutans. Aceste

incluziuni au fost descoperite de către V. Babeş în 1897 la Corynebacterium diphtheriae şi

Mycobacterium tuberculosis şi apoi de Ernst în 1899 la alte bacterii, fapt pentru care mai sunt numiţi

şi corpusculii Babeş – Ernst. Datorită conţinutului mare în polifosfaţi anorganici produc efecte

metacromatice (se colorează în roşu - violet cu albastrul de metilen) motiv pentru care au fost

denumite şi granulaţii metacromatice. Granulele de volutină reprezintă o rezervă de fosfor şi energie

intracelulară.

Incluziunile polizaharidice cuprind incluziunile de glicogen şi amidon. Acestea se întâlnesc

ca substanţe de rezervă la bacteriile aerobe sporulate. La microscopul fotonic pot fi observate după o

prealabilă tratare a celulelor cu iod în iodură de potasiu. În aceste condiţii incluziunile de glicogen se

colorează în brun roşcat, iar cele de amidon în albastru, în contrast cu citoplasma care apare colorată

în galben pal.

Rhapidozomii sunt particule ribonucleoproteice sub formă de bastonaşe scurte, rigide, intra-

sau extracelular, care pot fi eliminate din celule prin liza lor. Sunt întâlniţi la numeroase specii de

mixobacterii, la Proteus, Pseudomonas, Actinomyces. Conţin proteine şi ARN în proporţie de 2:1.

Magnetozomii sunt incluziuni care conţin fier şi au rol în orientarea şi migrarea unor bacterii

sub influenţa câmpurilor magnetice slabe. Se întâlnesc la unele bacterii magnetotactice din

sedimentele marine sau de apă dulce. Nu se găsesc dispersaţi în celulă ci formează una, două

formaţiuni intracelulare alcătuite din 5 – 41 particule de formă cubică, cu colţurile rotunjite, situate

în apropierea suprafeţei interne a membranei plasmatice. Magnetozomii conţin fier sub formă de

magnetită. Ei acţionează ca o busolă biomagnetică, asigurând orientarea şi deplasarea bacteriilor în

câmpurile magnetice.

Elemente structurale inconstante

Capsula şi stratul mucos

Unele bacterii au proprietatea de a elabora, în anumite condiţii de mediu, substanţe

macromoleculare cu caracter vâscos, gelatinos – mucos.

În funcţie de structura şi raporturile cu celula bacteriană substanţa mucoidă se poate prezenta

sub următoarele forme:

6

a) Microcapsula - la care substanţa mucoidă alcătuieşte un strat foarte fin în jurul celulei

bacteriene, având o grosime de 0,2 µm. Nu poate fi observată la microscopul fotonic, dar

este detectabilă prin metode imunologice.

b) Macrocapsula sau capsula adevărată - are o grosime ce depăşeşte 0,2 µm şi se prezintă

ca o formaţiune morfologic distinctă care înveleşte de jur – împrejur fiecare celulă sau

perechi de celule.

c) Stratul mucos - apare ca o masă amorfă, neorganizată în jurul celulei bacteriene.

d) Zooglea sau masa zoogleică - în care stratul mucos leagă între ele mai multe celule,

formând adevărate colonii mucilaginoase de bacterii.

Macrocapsula sau capsula adevărată apare la microscopul fotonic ca un halou incolor în jurul

celulei bacteriene. Dimensiunile ei variază foarte mult în raport cu corpul bacterian. Spre deosebire

de stratul mucos care formează în jurul bacteriilor o reţea laxă şi difuză de exopolizaharide, fără o

structură definită, capsula adevărată este strâns aderentă de peretele celular. Exemple de bacterii

capsulate: Bacillus anthracis, Streptococcus pneumoniae, Leuconostoc mesenteroides, Enterobacter

aeruginosa, Klebsiella pneumoniae.

Capsula este greu de observat prin microscopie directă. Are o afinitate slabă pentru coloranţi

şi de aceea ea poate fi evidenţiată numai prin coloraţii speciale. După coloraţii uzuale ea apare ca un

halou incolor. Fiind puţin opacă pentru electroni capsula nu apare clar sau este invizibilă la

microscopul electronic.

Semnificaţia biologică a capsulei

Capsula este un produs inert care rezultă din activitatea metabolică a celulei bacteriene şi

care poate fi îndepărtat, celula bacteriană păstrându-şi viabilitatea. Capsula are un rol ecologic în

supravieţuierea bacteriilor în natură. Ea protejează celula bacteriană de efectul nociv al desicaţiei

datorită proprietăţilor sale higroscopice şi reprezintă un rezervor pentru stocarea substanţelor

nutritive sau a celor rezultate din metabolism. La bacteriile patogene, capsula are rol protector faţă

de acţiunea fagocitelor. Bacteriile patogene capsulate au o virulenţă mai mare pentru om şi animale.

Astfel, pneumococul capsulat este virulent, în timp ce tulpinile necapsulate sunt nevirulente şi

fagocitabile.

Glicocalixul

Glicocalixul este alcătuit dintr-o masă de filamente polizaharidice ataşate de

lipopolizaharidele de pe suprafaţa bacteriilor, formând în ansamblu o structură ca o pâslă pe

suprafaţa celulei, asigurând fixarea acesteia de alte celule sau suporturi. Adeseori, diviziunea

bacteriilor în interiorul glicocalixului poate produce o microcolonie de celule acoperite de un

glicocalix comun.

7

Semnificaţia biologică a glicocalixului

Glicocalixul reprezintă un rezervor de hrană pentru bacterii, prin legarea diferiţilor ioni şi

molecule care provin din mediul înconjurător sau sunt eliberate prin digestia enzimatică a celulelor

moarte. Prezenţa glicocalixului la bacteriile patogene reprezintă o protecţie pentru celulă, asigurând

fixarea şi menţinerea ei în mediile naturale sterile (ex. căile urinare), fără a fi îndepărtată, precum şi

o rezistenţă mărită faţă de bacteriofagi sau protozoare. În natură, în apele repezi curgătoare de

munte, glicocalixul asigură fixarea bacteriilor pe diferite substraturi inerte (pietre, resturi de lemn

etc.) pe care formează depozite vâscoase.

Flagelii

Flagelii sunt apendici filamentoși dispuși la suprafaţa bacteriilor, reprezentând organite de

locomoţie. Posibilitatea de deplasare se întâlneşte numai la anumite specii bacteriene ca: bacili,

vibrioni şi spirili.

Morfologie. Flagelii sunt structuri filamentoase subţiri, flexibile, de formă helicală.

Lungimea lor este mult mai mare decât a celulelor care îi poartă. De asemenea, ei sunt mai lungi la

celulele bătrâne şi la cele care trăiesc în medii lichide. Forma lor este cilindrică deşi, uneori, apar

turtiţi ca o panglică. Numărul flagelilor pe suprafaţa unei celule variază între 1 şi 100, fiind

caracteristic pentru o anumită specie.

În funcţie de dispunerea flagelilor pe suprafaţa celulelor bacteriene acestea pot fi: atriche

(bacterii imobile, fără flageli - majoritatea bacteriilor); monotriche (cu un singur flagel polar,

exemplu Vibrio cholerae); lofotriche (cu un smoc de flageli situat la un pol al celulei, exemplu

Spirillum marinus); amfitriche (cu câte un flagel la ambii poli ai celulei, exemplu Bacillus

megaterium); peritriche (cu flageli pe toată suprafaţa celulei, exemplu Proteus vulgaris).

Ultrastructură. Un flagel este alcătuit din trei elemente principale: corpul bazal, articulaţia

(cârligul) şi filamentul helical extracelular.

La bacteriile Gram negative corpul bazal este alcătuit din patru discuri interconectate şi

anume: discul “M” dispus în membrana plasmatică şi montat fix pe axul de transmisie, dar care se

roteşte liber în membrana plasmatică; discul “S” localizat în regiunea supramembranară plasmatică

(spaţiul periplasmic); discul “P” inclavat în stratul peptidoglicanic; discul “L” legat de membrana

externă lipopolizaharidică a peretelui celular.

La bacteriile Gram pozitive structura corpului bazal este mai simplă, fiind format din două

discuri corespunzătoare discurilor “P” şi “M”.

Modul de deplasare. Filamentul flagelului pus în mişcare de “motorul rotativ” se învârte în

jurul propriului său ax, propulsând astfel celula. Când flagelii se rotesc în sens opus acelor de

ceasornic aceştia formează un fascicul în urma celulei care este propulsată în linie dreaptă. Când

8

sensul rotirii se schimbă, în sensul acelor de ceasornic, celula se “rostogoleşte” deoarece flagelii se

răsfiră, fiecare trăgând celula în altă direcţie. Deci, rotaţia în sens “antiorar” asigură deplasarea

celulei în linie dreaptă, iar cea în sens “orar” rostogolirea.

Pilii şi fimbriile

Sunt apendici filamentoşi, pericelulari prezenţi la bacteriile Gram negative (Escherichia coli,

Proteus, Klebsiella, Shigella, Salmonella) şi mai rar la bacteriile Gram pozitive. Pot fi evidenţiaţi

numai prin microscopie electronică. Sunt mai numeroşi decât flagelii, mai subţiri şi mai casanţi.

După structură, funcţie şi determinismul genetic aceşti apendici au fost grupaţi în două

categorii: pili de sex - apendici filamentoși care reprezintă receptori specifici pentru bacteriofagi şi

calea de transfer a ADN-ului bacterian şi plasmidial în procesul de conjugare; fimbriile - care nu

sunt implicate în transferul ADN-ului cromozomal, viral sau plasmidial.

Pilii de sex sunt în număr de 1 – 10 per celulă. Sunt codificaţi de informaţia genetică

extracromozomală (plasmida de sex). La microscopul electronic apar ca nişte structuri tubulare, cu

un canal axial delimitat de un perete alcătuit din molecule de pilină (o fosfoglicoproteină) asamblate

după o simetrie helicală.

Semnificaţia biologică a pililor

Pilii sunt organite esenţiale pentru transferul ADN-ului cromozomal sau plasmidial în cursul

conjugării celulelor bacteriene mascule şi femele. Ei poartă receptori pentru fixarea bacteriofagilor

de celulele bacteriene şi servesc drept conduct prin care se realizează transferul genomului fagic în

celula bacteriană. Pierderea pililor prin mutaţie determină rezistenţa faţă de infecţia cu bacteriofagi.

Fimbriile sunt apendici filamentoși, rectilinii, dispuși pericelular, polar sau bipolar şi a căror

sinteză este controlată de gene cromozomale. Numărul lor variază între 1 – 1000 per celulă.

Semnificaţia biologică a fimbriilor

Creşterea suprafeţei de absorbţie a substanţelor nutritive. Creşterea activităţii respiratorii a

bacteriilor. Facilitarea aderării bacteriilor de diferite substraturi sau alte organisme. Servesc ca

organite de transport a unor metaboliţi. Contribuie la stabilizarea cuplurilor de conjugare.

Influenţează virulenţa bacteriilor patogene prin: fixarea bacteriilor patogene de celule şi ţesuturi,

determinarea unei specificităţi de ţesut; inducerea formării de anticorpi datorită antigenelor din

fimbrii; conferirea unei rezistenţe deosebite a bacteriilor la fagocitoză.

Sporul bacterian

La unele bacterii forma vegetativă se poate transforma într-un spor. Aceste bacterii se

numesc sporogene. La bacterii se întâlnesc mai multe tipuri de spori:

9

Endosporul (sporul propriu- zis) - este o formaţiune intracelulară foarte refringentă şi

rezistentă la factorii nefavorabili de mediu. Este caracteristic pentru genurile Clostridium şi Bacillus.

Exosporul – reprezintă o formaţiune rezistentă care se întâlneşte la bacteriile

metanooxidante şi la unele tulpini de Rhodomicrobium vannielii.

Artrosporul – constituie o formaţiune intracelulară mai puţin rezistentă decât endosporul,

dar superioară formei vegetative. Se formează prin fragmentarea celulei vegetative. A fost descris la

Bacillus megaterium.

Chlamidosporul – este întâlnit la mixobacterii şi la Azotobacter chroococcum. Rezultă din

îngroşarea peretelui celulei vegetative şi acumularea unor substanţe de rezervă.

Gonidia – reprezintă o formaţiune intracelulară sferică rezultată din condensarea şi

fragmentarea conţinutului celular. Nu are calităţi specifice sporului adevărat dar are în schimb rol în

înmulţire. A fost descris la Leptothrix ochracea, Beggiatoa, Crenothrix.

Sporii de la actinomicete – sunt rezistenţi la uscăciune dar nu şi la temperatură. Au rol în

reproducere. Poartă diferite denumiri în funcţie de reprezentanţii unor familii şi anume: oidiospori,

conidiospori, sporangiospori.

Adevăratul spor bacterian sau endosporul este întâlnit la speciile genului Bacillus (aerob) şi

Clostridium (anaerob). La coci endosporul este întâlnit numai excepţional la Sporosarcina ureae.

Datorită calităţilor sale deosebite de rezistenţă endosporul conservă în stare dormantă, timp

îndelungat, toate proprietăţile genotipice ale celulei vegetative din care provine. Indiferent de

morfologia celulei în care se constituie, forma sporului (endosporului) este rotundă sau ovală, cu

diametrul variind între 0,2 şi 2 µm. Poziţia sporului în celulă este diferită şi reprezintă un criteriu

taxonomic. Astfel, sporul ocupă o poziţie centrală la Bacillus anthracis, subterminală la Bacillus

cereus sau o poziţie terminală la Bacillus subtilis (la care sporul poate avea și pozițiile centrală sau

subterminală). Diametrul sporilor poate fi mai mic decât al celulelor vegetative (ex. genul Bacillus)

și se numesc spori nedeformanți. La unele specii, diametrul sporului este mai mare decât cel al

celulei în care se formează, deformând astfel celula. Sporii deformanţi îi întâlnim la bacilii telurici,

anaerobi, aparţinând genului Clostridium şi pot avea poziţie centrală dându-le acestora aspect de fus

(Clostridium pasteurianum), poziţie subterminală – aspect de rachetă de tenis (Clostridium

sporogenes) sau băţ de tobă dacă sporul este terminal (Clostridium tetani).

Ultrastructura

În general, ultrastructura sporului este, cu mici variaţii, aceeaşi la toate bacteriile.

Microscopia electronică a pus în evidenţă următoarele elemente structurale: tunicile (învelişurile

sporale) – reprezentând trei straturi suprapuse: unul extern (exina), unul intern (intina), între care se

găseşte stratul mijlociu; toate sunt electronoopace şi reprezintă 20 – 30 % din greutatea sporului;

10

cortexul – o zonă electronotransparentă, situată sub tunica internă, format dintr-un peptidoglican

(altul decât mureina) şi acid dipicolinic; membrana sporoplasmei – identică cu membrana

citoplasmatică a celulei vegetative; sporoplasma (inima sporului) – reprezintă 60 – 70% din

greutatea sporului şi conţine elementele biologic active (ADN, ARN, mai puţin ARN mesager,

ribozomi). La unele specii (Bacillus cereus, Bacillus anthracis) la suprafaţa tunicilor sporale se află

un strat mucos, de formă neregulată numit exosporium. Sporul conţine, în general, aceeaşi

componenţi ca celula vegetativă dar în raporturi diferite. Astfel, comparativ cu celula, sporul are un

conţinut scăzut în apă, mai ales în apă liberă; este mai bogat în Ca2+

şi Mg2+

dar mai sărac în K.

Caracteristic sporului este prezenţa acidului dipicolinic, care sub forma dipicolinatului de calciu

conferă sporului termorezistenţă. Sporul este mai sărac în enzime decât celula vegetativă, iar

enzimele existente sunt inactive, motiv pentru care sporul este metabolic inactiv.

Semnificaţia biologică a sporului

Sporul reprezintă o etapă normală a ciclului de dezvoltare a bacteriilor sporogene, deoarece

sporogeneza necesită condiţii de mediu similare celor reclamate de celula vegetativă, uneori cu

limite de variaţie mult mai mici. El se deosebeşte de celula vegetativă prin mai multe caractere şi se

comportă ca o formă de rezistenţă ce păstrează intacte toate caracterele genotipice şi fenotipice ale

speciei. Sporul bacterian nu reprezintă o formă de multiplicare ca la fungi. Rezistenţa sporului

bacterian la factorii nefavorabili de mediu este deosebit de mare; pot rezista câteva ore la 1200C

căldură umedă sau 2000C căldură uscată.

II. STRUCTURA ȘI ULTRASTRUCTURA CELULELOR EUCARIOTE

1. Structura si ultrastructura organitelor specifice celulei vegetale (cloroplastul, peretele

celular si vacuola)

Cloroplastele sunt plastide care contin pigmentul verde numit clorofilă, cu ajutorul căruia

realizează fotosinteza, ceea ce conferă plantelor rol de producători primari. Clorofila este

concentrată în mici granule lenticulare numite grana, dispuse mai mult sau mai puţin regulat şi dând

cloroplastului o structură granulară. Ansamblul regiunilor clare, nepigmentate, ce separă grana se

numeşte stromă (matrix).

Morfologie. La alge cloroplastele se numesc cromatofori; forma acestora variază şi este utilizată

în taxonomie pentru a diferenţia speciile, genurile şi grupele între ele: la Chlamydomonas şi

Chlorella, alge unicelulare, are aspect de cupă sau de clopot; la Ulothrix, algă pluricelulară, are

aspect de inel ecuatorial, cu marginile dantelate; la Cladophora, algă pluricelulară ramificată, este

reticulat; la Spirogyra, algă pluricelulară filamentoasă, are aspect de panglică spiralată. În ceea ce

priveşte numărul de cromatofori / celulă, acesta poate fi: între 1-6 la Spirogyra, 2 în formă de stea la

Zygnema, mai multe zeci cu aspect lenticular la Bryopsis.

11

Majoritatea cromatoforilor au una sau mai multe granule proteice numite pirenoizi în jurul

cărora sunt granule de amidon. Pirenoizii sunt corpusculi sferici, având 1-10 micrometri în diametru.

La algele verzi şi la unele alge roşii, pirenoizii sunt intraplastidiali, iar la algele brune,

extraplastidiali, fixaţi în afara cromatoforului cu ajutorul unui pedicel. Corpul central al pirenoidului

este de natură lipoproteică şi se numeşte pirenozom. La unele alge verzi, pirenoizii mai conţin ADN

şi clorofilă .

La plantele superioare, cloroplastele sunt lenticulare, mari, vizibile la microscopul fotonic.

Dimensiunile lor variază cu specia, organul analizat, tipul de ţesut vegetal (la frunze, cloroplastele

din celulele ţesutului palisadic sunt de 2,5 ori mai mari decât cele din ţesutul lacunos).

Ultrastructură. Cloroplastul este limitat de o anvelopă (membrană dublă), ce închide o

stromă incoloră. Fiecare din cele două membrane simple are grosimea de 7,5 nm, între ele aflându-

se un spaţiu clar de 10 nm.

Membrana externă este netedă. Membrana internă emite invaginaţii, din care unele se

prelungesc în lamele stromatice, dispuse paralel cu axa mare a organitului. Între lamelele stromatice

(stromatilacoizi) se formează, pe alocuri, un anumit număr de saci mici, aplatizaţi, numiţi saculi

granari (granatilacoizi) dispuşi în teancuri (de la 2 până la 60 într-un teanc); aceştia provin din

dilatări ale lamelelor stromatice, care se etalează paralel cu aceste lamele şi de care se detasează.

Ansamblul format de saculele granare şi porţiunile de lamele stromatice care le mărginesc constituie

aşa-numitul granum.

Tilacoizii cuprind: - unităţi pătratice de 15 nm, care apar pe cele două feţe ale membranei

care conţin aproximativ 300 de molecule de clorofile şi aproximativ 50 de molecule de pigmenţi

carotenoizi, toate înglobate prin polul lor hidrofob în pătura lipidică a membranei tilacoidale

(fotosintetizantă); aceste unităţi pătratice au fost asimilate cu unităţi funcţionale numite cuantozomi;

- unităţi mai mici (8 nm), tot transmembranare; - unităţi intermediare (9 nm) pedicelate, situate

exclusiv pe faţa stromatică a membranei tilacoidale, îndeosebi la extremităţile tilacoidelor (ele sunt

factori de cuplaj clorofilieni, care servesc la sinteza de ATP, ca şi în mitocondrie).

Stroma este incoloră, având o structură asemănătoare cu cea a hialoplasmei. Este de natură

proteică, conţinând picături lipidice şi câteva granule de amidon; acestea se formează la sfârşitul

zilei, dar sunt hidrolizate în cursul nopţii în glucoză, care migrează în plantă. În stromă s-au

evidenţiat şi plastoribozomi, ARN, ADN.

Peretele celular - Marea majoritate a celulelor vegetale sunt acoperite la exterior de un

înveliş solid numit perete celular, care separă celulele între ele, le protejează întreg conţinutul şi le

conferă o anumită formă stabilă. Aceste celule sunt cunoscute şi sub numele de dermatoplaste, prin

contrast cu celulele animale, numite nude sau gimnoplaste.

12

Peretele celular a fost prima componentă structurală observată la microscopul fotonic de

către Robert Hooke, în 1665.

Peretele celular este un produs al protoplastului şi rămâne permanent în contact cu

citoplasma, prin intermediul plasmalemei. Formarea sa începe la sfârşitul telofazei când se constituie

un nou perete intercelular în fragmoplast. În zona ecuatorială a fragmoplastului apar numeroase

formaţiuni granulare mici, ce conţin pectine şi care nu sunt altceva decât vezicule ale aparatului

Golgi. Numărul şi mărimea acestora cresc treptat, se apropie şi fuzionează într-o placă celulară

(viitoarea lamelă mediană), care creşte centrifugal. În cursul apropierii şi fuzionării veziculelor

golgiene, membranele lor produc plasmalemele celor două celule vecine. Între vezicule se află

profile de RE, ce formează plasmodesmele, care trec prin punctuaţiile ce rămân în lamela mediană.

Ulterior se formează pereţii primari ai celulelor vecine. Noul perete se sudează cu pereţii laterali ai

celulei iniţiale şi separă astfel celula veche în două celule noi.

Peretele celulelor meristematice şi parenchimatice rămâne primar, celulozo-pectic tot timpul

vieţii acestora. În schimb, peretele celulelor ţesuturilor mecanice, conducătoare şi protectoare se

îngroaşă prin depuneri de material nou peste peretele primar, alcătuind peretele secundar. Spre

deosebire de peretele primar, care creşte mai mult în suprafaţă, peretele secundar creşte numai în

grosime .

Compoziţia chimică a peretelui celular este foarte variată, în funcţie de grupa taxonomică.

Pereţii celulelor conţin 4 grupe de substanţe: glucide, lipide, proteine şi substanţe minerale.

De regulă, predomină glucidele, găsindu-se în special sub formă de polizaharide, cea mai frecventă

fiind celuloza. Alături de celuloză, în mod constant se găsesc hemiceluloze şi substanţe pectice.

Celuloza este un polimer liniar, neramificat, alcătuit din 5000-35000 molecule de D-glucoza.

Prin tehnica curentă de dublă colorare a preparatelor microscopice (verde iod şi carmin

alaunat), coloraţia roz a peretelui celular nu este specifică numai celulozei, ci şi hemicelulozei,

calozei şi substanţelor pectice.

Microscopia electronică a permis decelarea unităţilor de constituţie ale celulozei:

formaţiunea submicroscopică fundamentală este fibrila elementara. Fibrilele elementare se asociază

în unităţi superioare numite microfibrile. Prin asocirea a circa 250 microfibrile rezultă o fibrilă, iar

prin unirea a 1 500 de fibrile rezultă o fibră macroscopică.

Biodegradarea celulozei se realizează prin hidroliză catalizată de celulaz. Relativ puţine

organisme sintetizează celulază şi, deci, pot utiliza direct această biomasă disponibilă. Plantele verzi,

care produc cea mai mare cantitate de celuloză, nu au activitate celulolitică deosebită, fiind practic

incapabile să catabolizeze acest compus. Dintre animale, rumegătoarele, realizând o digestie

13

simbiotică, reuşesc să catabolizeze celuloza; activitatea de celuloliză este restrânsă practic la

microorganisme: bacterii, protiste, ciuperci.

Pectinele constituie cea mai mare parte din lamela mediană, care menţine împreună celulele

unui ţesut. Locul de sinteză al pectinelor îl reprezintă aparatul Golgi. Se colorează specific în roz cu

roşu ruteniu. Plantele dispun de pectinaze care hidrolizează pectinele. Remanierea acestor

polizaharide reprezintă un proces natural frecvent, fie în cursul creşterii, fie la sfârşitul maturării

celulei.

Hemicelulozele sunt macromolecule cu un grad mai scăzut de polimerizare, comparativ cu

celuloza Spre deosebire de celuloză, hemiceluloza poate fi utilizată de plantă ca substanţă de

rezervă, deoarece conţine o enzimă, hemicelulaza, care o poate hidroliza până la oze simple.

Ultrastructura peretelui celular. Se apreciază că primele straturi dinspre lamela mediană

sunt mai bogate în substanţe pectice şi hemicelulozice, cantitatea de celuloză crescând treptat spre

interior. Cercetările de microscopie electronică au evidenţiat că, in peretele primar, textura fibrilară

are o orientare determinată; fibrilele celulozice prezintă o dispoziţie paralelă pe faţa externă a

peretelui şi aproape perpendiculară pe cea internă, în raport cu axul longitudinal al celulei.

Peretele secundar conţine mai multă celuloză, iar în plus are şi substanţe de încrustaţie:

cutina, suberina, ceara, lignina, mucilagii, săruri, răşini. Este heterogen, fiecare din cele trei straturi

ale sale (S1, S2, S3) având structură proprie, situaţie vizibilă îndeosebi la vasele de lemn şi fibrele

de sclerenchim.

Stratul S1 (extern) este gros de 0,12 – 0,35 micrometri (ocupă 5-11% din perete); este format

din 4-6 lamele de microfibrile celulozice, având structură aparent reticulată.

Stratul S2 (mijlociu) ese cel mai gros (ocupă 74-84% din perete); are 30-150 de lamele foarte

apropiate, iar microfibrilele de celuloză au dispoziţie helicoidală, deci textura este paralelă, dar

diferă direcţia de înfăşurare în diferite lamele.

Stratul S3 (intern) este gros de 0,07-0,08 micrometri; are doar 2-3 lamele de microfibrile

celulozice, iar direcţia lor de înfăşurare în lamele alternează, deci textura este reticulată.

Peretele primar este plastic, extensibil şi, deci, permite alungirea organelor; peretele secundar

este elastic, dar nu plastic (el se formează atunci cand celulele, deci şi organele, au încetat să mai

crească).

Modificările chimice secundare ale peretelui celular pot fi clasificate astfel:

1. apoziţii lipidice: cutinizare, cerificare, suberificare;

2. încrustaţii cu polifenoli: lignificare;

3. încrustaţii cu săruri minerale: mineralizare (silicificare, calcificare);

4. modificări cu rol degenarativ: gelificare şi lichefiere.

14

Cutinizarea şi cerificarea constau în impregnarea şi acoperirea pereţilor externi ai celulelor

epidermice cu substanţe de natură lipidică, numite cutina şi ceara. În general, celulele situate la

suprafaţa organelor aeriene au pereţii acoperiţi de o cuticulă, în care se disting ceruri (extractibile cu

cloroform, benzen, hexan) şi un polimer insolubil numit cutină.

Cuticula are un rol foarte important în echilibrul hidric al plantei, reducând evaporarea apei

în atmosferă; apariţia sa în cursul evoluţiei a fost esenţială pentru dezvoltarea plantelor în mediul

aerian. În caz de uscăciune, stomatele se închid şi atunci transpiraţia cuticulară devine determinantă

pentru adaptarea la viaţa în mediul uscat. Cuticula intervine, de asemenea, în reglarea umidităţii de

la suprafaţa organelor, eliminarea substanţelor volatile, apărarea împotriva factorilor externi (vânt,

poluanţi, paraziţi); de cuticulă depinde puterea de pătrundere a erbicidelor în plante.

Ceara şi cutina constituie complexul cuticular. Cuticula se colorează cu diferiţi reactivi (roşu

Sudan III, tetraoxid de osmiu). Grosimea sa variază în funcţie de condiţiile ecologice în care creşte

planta: astfel, plantele submerse au o cuticulă foarte subţire (uneori chiar poate lipsi), în timp ce

xerofitele au cuticula foarte groasă; la frunzele de măslin, laur, afin ea poate atinge 10-20 de

micrometri.

Cerurile se află incluse fie în ochiurile polimerului de cutină (ceruri intracuticulare), fie se

prezintă sub forma unor proiecţii superficiale de forme variate – plăci, tubuli, bastonaşe, panglici –

reprezentând aproximativ 90% din ceara totală (ceruri epicuticulare).

În ceea ce priveşte biodegradarea cutinei: în natură, aceasta este reciclată de microflora

solului (bacterii, levuri); unele ciuperci saprofite pot fi cultivate pe substrat de cutină ca unică sursă

carbonată. Mamiferele posedă lipaze care degadează acest polimer.

Suberificarea constă în impregnarea pereţilor celulozici cu suberină (de natură lipidică).

Procesul de suberificare priveşte organe relativ în vârstă, adesea cu structură secundară; rareori,

suberificarea reprezintă un răspuns la răniri (când epiderma este distrusă), rezultând un suber de

cicatrizare. În celulele de suber adcrustarea de lipide are loc centripetal afectând toţi pereţii celulari,

făcându-i impermeabili pentru lichide şi gaze, împiedicând schimburile dintre celule şi mediul

extern, conducând la moartea acestora. De aceea funcţiile de izolare şi protecţie caracteristice

suberului se realizează numai ce către pereţi atunci când celulele mor.

Suberificarea poate fi totală la fag, salcie sau parţială la plop, arţar.

Lignificarea constă în impregnarea pereţilor celulozici cu lignină, compus de natură

polifenolică, care înconjoară microfibrilele de celuloză, umplând spaţiile dintre ele, mărind

duritatea, rezistenţa mecanică şi chimică a peretelui, micşorându-i flexibilitatea. Poate fi totală (în

sclerenchimul târziu) sau parţială (în xilemul timpuriu). Este un proces ireversibil, propriu

15

cormofitelor, îndeosebi vaselor de lemn şi elementelor de sclerenchim, rareori celulelor epidermice

(ca la poacee).

Pereţii lignificaţi au o organizare ternară, cuprinzând un schelet microfibrilar de celuloză

foate bine organizat, o matrice amorfă predominant glucidică şi o reţea de polifenoli încrustaţi.

Între biopolimerii elaboraţi pe suprafaţa globului, ligninele ocupă locul al doilea după

celuloză, împreună reprezentând 60-80% din biomasa terestră. Celulele care işi lignifică pereţii

celulari sunt decelabile la microscopul fotonic prin utilizarea unor coloranţi specifici; caracteristice

pentru lignificare sunt reacţiile cu sulfat de anilină şi acid sulfuric, care conferă ligninei o culoare

galben aurie (deci nuanţează culoarea naturală a ligninei, care este cea galbenă), precum şi cea cu

fluoroglucină şi acid clorhidric, care o colorează în roşu.

Lignina este foarte greu biodegradabilă; numai anumite bacterii şi câteva ciuperci

(Polyporus) sunt capabile să produca peroxidaze şi în prezenţa apei oxigenate să producă o lignoliză

completă.

Mineralizarea este procesul de impregnare a pereţilor celulari cu diferite săruri minerale şi

organice, ceea ce le conferă rigiditate, soliditate şi rezistenţă. Substanţele încrustante sunt

reprezentate mai cu seamă de carbonat de calciu şi dioxid de siliciu.

Calcificarea - La plantele superioare, calcificarea pereţilor este localizată: astfel, în pereţii

unor peri protectori numiţi peri cistolitici (de la cânepă, hamei, mierea ursului) întâlnim concreţiuni

amorfe care le conferă o anumită rigiditate; în frunza de la Ficus există structuri numite cistoliţi, în

care un repliu intern din perete funcţionează ca loc de acumulare calcaroasă pe un schelet celulozic.

Dizolvarea carbonatului de calciu se poate realiza, pe o secţiune transversală prin frunză, cu ajutorul

unei picaturi de acid.

Silicificarea poate fi întâlnită la algele unicelulare din grupa diatomeelor, peretele acestora

fiind constituit din două valve silicificate, inextensibile, foarte fin ornamentate. Tulpinile poaceelor

şi ciperaceelor au pereţii celulelor epidermice mineralizaţi,cu o cantitate apreciabilă de dioxid de

siliciu. În cazul perilor de la Urtica dioica, cea mai mare parte a peretelui este calcificată; doar

vârful este silicificat, ceea ce determină ruperea lui în punctele diferit mineralizate şi transformarea

într-un minuscul vârf de ac de seringă, care se adânceşte în piele, lăsând să difuzeze conţinutul

celular urticant.

Gelificarea este procesul prin care compuşii pectici se îmbibă cu apă, se hidrolizează,

transformându-se într-o masa gelatinoasă. Lichefierea poate urma gelificării şi constă în dizolvarea

şi dispariţia peretelui celular. Ambele sunt procese de degradare controlată a peretelui celular

(autoliză), frecvent întâlnite la celulele ţesuturilor.

16

Vacuolele provin fie din dilatările locale ale membranelor RE, fie din diviziunea celor

preexistente. Sunt incluziuni “inerte” apoase, prezente în citoplasmă; ele nu efectuează transformări

metabolice şi sunt limitate de tonoplast. Pot fi colorate natural atunci când conţin antociani sau

flavone, ori artificial cu coloranţi selectivi de tipul roşului neutru şi albastrului de crezil.

În celulele tinere (meristematice) din apexurile radicular şi caulinar vacuolele sunt

numeroase, dar foarte mici; pe măsură ce procesul de diferenţiere avansează, vacuolele confluează,

ajungând ca în celula adultă să existe o singură vacuolă foarte mare, care ocupă circa 90% din

volumul celular .

Conţinutul vacuolar este o soluţie de compoziţie complexă, a cărei natură chimică şi

concentraţie sunt foarte variabile în funcţie de specie, tip celular şi stare fiziologică. Compuşii

încorporaţi în vacuole pot fi grupaţi în două categorii:

1. compuşi intermediari ai metabolismului celular: acizii carboxilici răspunzători de pH-ul

conţinutului vacuolar; glucide (zaharoză la trestia de zahar şi sfeclă; inulină îndeosebi la asteracee);

acizi aminici şi proteine (care sunt transferaţi în vacuole dupa sinteză de către poliribozomii

citoplasmici).

2. compuşi finali ai metabolismului celular: pigmenţii flavonoizi (exclusiv vegetali, semnale

atractive esenţiale pentru polenizatori); taninurile (inhibitori ai enzimelor; conferă astringenţă

fructelor; oferă protecţie organelor vegetale contra agenţilor patogeni); alcaloizii (cu proprietăţi

farmacodinamice foarte variate).

Aparatul vacuolar al celulelor din embrion şi acela din celulele albumenului are un

comportament particular. În ovulele care se transformă în seminţe, celulele au vacuole mari,

hidratate; în cursul maturării seminţelor, vacuolele se deshidratează şi se fragmentează, în acelaşi

timp acumulâdu-se o mare cantitate de proteine. La sfârşitul evoluţiei lor, vacuolele vor conţine

proteina precipitată (ne referim la granulele de aleurona , care pot fi simple sau compuse, în ultimul

caz proteina fiind organizată sub forma unui cristaloid însoţit de o parte neproteică numită globoid).

Funcţiile vacuolei: - constituie pentru celulă principala sa rezervă de apă, compus indispensabil

multiplelor reacţii de biosinteză: - acumulează substanţe de rezervă sau deşeuri toxice; - contribuie

la creşterea celulară; - exercită presiune asupra peretelui celular extensibil şi elastic, care se întinde

(starea de turgescenţă celulară, care implică şi fenomene osmotice).

2. Structura si ultrastructura nucleului; diviziunea celulara (mitoza si meioza).

Nucleul - Este organitul descoperit pentru prima dată de R. Brown în 1831 (1835) în celulele

petalelor de orhidee. Ulterior a fost semnalat şi în celula animală. În 1838, M. Schleiden

generalizează prezenţa nucleului în toate celulele vegetale. Rolul nucleului în procesele de înmulţire,

17

diferenţiere, cancerizare, sinteza proteinelor citoplasmice i-a determinat pe citologi şi biochimişti să-

i acorde o atenţie prioritară în cercetările lor.

Morfologia nucleului interfazic. Nucleul eucariotelor este o achiziţie a evoluţiei; la procariote

(virusuri, bacterii, cianobacterii) întâlnim un nucleoid (substanţă nucleară, îndeosebi ARN şi ADN,

fără existenţa unei anvelope nucleare).

Număr: la eucariote, fiecare celulă are în general un singur nucleu; filamentele dicariotice

ale unor basidiomicete au câte doi nuclei; unele alge verzi (Caulerpa, Cladophora) au mai mulţi

nuclei. Deosebim astfel: plasmodii, în cazul cariocinezelor neurmate de citocineze şi sinciţii, ce

rezultă în urma lizei pereţilor despărţitori. Există şi celule anucleate: articulele tuburilor ciuruite, la

care nucleul, devenit inutil în cursul difereţierii celulare, a dispărut. În cazul elementelor moarte la

maturitate (vasele de xilem, elementele de sclerenchim, celulele de suber) nucleul a degenerat şi a

dispărut o dată cu tot ce era viu în celulă.

Forma variază în funcţie de vârstă, forma şi funcţia celulei. În celulele tinere este sferic, iar

în cele diferenţiate este eliptic. Forme particulare: semilunară (celulele stomatice ale frunzei de

Tradescantia); fusiformă (parenchimul medular din tulpina de la Tilia); filamentoasă (celulele

epidermice ale frunzei de Aloe).

Poziţia în celulă poate fi: centrală (în celulele meristematice); parietală (în celulele

diferenţiate); parietală, dar numai lângă peretele extern (celulele epidermice de la frunza de Aloe);

subterminală (în perii absorbanţi radiculari).

Mărimea variază de la 0,5-3 micrometri la unele ciuperci şi alge, până la 1000 de

micrometri în cazul zigotului de Cycas revoluta; în medie, dimensiunile sunt cuprinse între 5 şi 15

micrometri.

Ultrastructură. Nucleul prezintă patru componente:

- anvelopa (membrana dublă);

- unul sau câţiva nucleoli sferici sau ovoizi;

- nucleoplasma, substanţa fundamentală optic omogenă ;

- cromatina, substanţă cu aspect variabil, dispersată în nucleoplasmă.

Anvelopa nucleară cuprinde două membrane simple (fiecare având grosimea de 7,5 nm),

separate de un spaţiu perinuclear clar, gros de 10-100 nm. Anvelopa prezintă pori nucleari, ce ocupă

până la 25% din suprafaţa ei, reprezentând deschideri prin care se pun în contact direct hialoplasma

şi nucleoplasma.

Prin intermediul membranei externe, spaţiul perinuclear este în contact direct cu cavităţile

RE (unii autori consideră că membrana nucleară este o porţiune specializată a RE).

18

Membrana internă este dublată (în celula animală) pe faţa internă de o pătură groasă (60 nm)

de proteine, numită lamină fibroasă .

Mitoza (diviziunea ecvaţională)

Are loc la formarea celulelor somatice (diploide); plecând de la o celulă diploidă (2n) se ajunge la

două celule-fiice, tot diploide.

1. Cariocineza (mitoza în sens restrâns) cuprinde: interfaza, profaza, metafaza, anafaza, telofaza,

toate alcătuind ciclul celular, care durează 20-24 ore, uneori chiar câteva zile.

Interfaza este etapa în care se dublează numărul constituenţilor nucleari, mai ales ADN;

cuprinde trei perioade : G1 (perioada presintetică, cuprinde 25-50% din interfază), când fiecare

filament cromatic are o moleculă de ADN combinat cu histone; are loc sinteza de ARNm;

cromozomii sunt monocromatidici; S (perioada sintetică, cuprinde 35-40% din interfază), când

continuă sinteza de ARNm; se dublează cantitatea de ADN; cromozomii sunt bicromatidici; G2

(perioada postsintetică, cuprinde 10-40% din interfază), cand continuă sinteza de ARNm; are loc

sinteza proteinelor cu rol contractil, necesare formării viitorului fus de diviziune.

Profaza: - se individualizează, prin spiralizare şi prin scurtare, cromozomii clivaţi în cele două

cromatide unite încă prin centromeri; - începe formarea fusului de diviziune (500-600 fibre

proteice cu diametrul de 25 nm) pe seama citoplasmei perinucleare (întâi sub forma unor calote

polare, ce se alungesc în formă de conuri; în metafază ele ating polii celulei şi cu bazele se unesc

la mijloc); - dispare nucleolul; - membrana nucleară se fragmentează şi dispare; - citoplasma şi

nucleoplasma se amestecă, rezultând mixoplasma, în care sunt dispersaţi cromozomii.

Metafaza: - se încheie formarea fusului acromatic de diviziune; - cromozomii bicromatidici

clivaţi se dispun în planul ecuatorial al celulei, unde se inseră prin centromer de filamentele

fusului de diviziune (singurul nedivizat); - braţele cromozomilor sunt orientate spre polii celulei;

- se formează astfel placa celulară.

Anafaza: - are loc disocierea (separarea) cromatidelor, începând de la centromer (care s-a

divizat), astfel încât acum fiecare cromatidă este autonomă, individualizată, cu valoare de

cromozom; - cromozomii fii (cromatidele) migrează sincron spre polii fusului de diviziune, cu

centromerul spre poli şi braţele spre vechea placă ecuatorială; - cromozomii ating polii fusului,

formând două grupe simetrice compacte, cu braţele tasate unele lângă altele; - rol motor în

migrarea cromozomilor îl are centromerul, dar ei se mişcă datorită scurtării filamentelor

fusoriale cromozomice.

Telofaza: - se formează cei doi nuclei fii, tot cu număr dublu de cromozomi, dar aceştia din

urmă sunt monocromatidici; - cromozomii se despiralizează, rezultând o nouă reţea cromatică; -

ia naştere nucleolul, lângă o zonă specială heterocromatică, numită nucleolară, a unor

19

cromozomi cu satelit, organizatori de nucleol; - se formeză membrana nucleară, din fragmente

ale membranei iniţiale, care au fost antrenate spre cei doi poli ai fusului de diviziune şi pe seama

RE.

2. Citocineza începe la sfârşitul anafazei sau la începutul telofazei.

La cormofite, mici vezicule golgiene, bogate în glucide, protide şi lipide, se dispun la

ecuatorul fusului de diviziune, cresc, confluează (exceptând locurile ce corespund punctuaţiilor

primare, pe unde trec plasmodesmele) şi astfel se organizează fragmoplastul sau placa celulară.

Fragmoplastul se întinde treptat centrifugal spre peretele celulei iniţiale, intrată în diviziune,

pentru a forma lamela mediană dintre cele două celule fiice. În paralel, fusul de diviziune se

dezorganizează, după ce şi filamentele sale participaseră la formarea lamelei mediane. Fiecare

din cele două citoplasme sintetizează câte un perete primar şi astfel sunt separate cele două

celule- fiice, în care s-au repartizat mai mult sau mai puţin egal diversele organite.

Meioza (diviziunea reducţională)

Fecundaţia şi meioza apar ca două mecanisme compensatoare: fecundaţia dublează numărul de

cromozomi, iar meioza îi reduce la jumătate. La covârşitoarea majoritate a plantelor, meioza

precede formarea sporilor.

Meioza cuprinde două diviziuni succesive: mitoza reducţională sau heterotipică (un nucleu 2n dă

doi nuclei n) şi mitoza ecvaţională sau homeotipică (cei doi nuclei n dau patru nuclei n). Aşadar,

meioza are loc la formarea celulelor de reproducere.

Mitoza reducţională

Profaza I durează câteva zile şi cuprinde mai multe subfaze:

- leptoten: cromozomii sunt filamente lungi, foarte fine, sinuoase; deşi s-au format cele două

cromatide, nu este vizibil clivajul;

- zigoten: cromozomii sunt tot filamente lungi, dar împerecheate; cromozomii omologi, paterni

şi materni, se apropie şi se unesc doi câte doi, fenomen numit sinapsă, ce conduce la formarea de

bivalenţi;

- pachiten: cromozomii perechi sunt mai scurţi şi devin mai groşi prin spiralizare unul în jurul

altuia; clivajul apare vizibil la extremităţi;

- diploten: clivajul este vizibil, cromozomii din fiecare bivalent tind să se separe, dar

cromatidele rămân ataşate în mai multe porţiuni numite chiasme;

- diacineza: se accentuează spiralizarea, cromozomii devenind foarte scurţi şi groşi;

cromozomii omologi din fiecare bivalent se separă şi la nivelul chiasmelor are loc fenomenul de

crossing-over (schimb de gene); acum dispar nucleolul şi membrana nucleară, începe să se

formeze fusul de diviziune.

20

Metafaza I: - se termină de format fusul de diviziune; - perechile de cromozomi (bivalenţii

clivaţi) se dispun în planul ecuatorial al celulei, cu centromerii de o parte şi de alta a planului

ecuatorial.

Anafaza I: - disocierea anafazică separă cromozomi întregi (clivaţi în cele două cromatide) şi nu

cromatide ca în mitoza ecvaţională; - rezultă două loturi de cromozomi bicromatidici care

migrează spre poli.

Telofaza I: - cromozomii bicromatidici s-au regrupat la cei doi poli ai fusului de diviziune; - se

formează nucleolul şi anvelopa nucleară.

Uneori se formează peretele dintre cele două celule-fiice, deci are loc citocineza. Nu se mai

observă interfaza, deci nu are loc replicarea ADN.

Mitoza ecvaţională

Profaza II: - este scurtă;

Metafaza II: cromozomii se inseră cu centromerul la ecuatorul fusului de diviziune (cele două

fuse se dispun perpendicular pe fusul primei mitoze).

Anafaza II: disocierea anafazică separă cromatide, care migrează spre cei doi poli.

Telofaza II: - are loc regruparea cromozomilor monocromatidici la polii fusului de diviziune; -

se formează pereţi între celule, rezultând o tetradă de spori, mai rar gameţi; - împreună, cele

două telofaze reconstiuie patru nuclei haploizi; - se formează nucleolul şi anvelopa nuleară; -

cantitatea totală de ADN / nucleu este egală cu jumătate din cea a unui nucleu somatic la

sfârşitul mitozei.

21

STRUCTURA ŞI ULTRASTRUCTURA CROMOSOMULUI EUCARIOT

Cromosomii fiecărei specii eucariote, de plante sau de animale, au particularităţi morfologice

şi numerice caracteristice speciei.

Reprezentarea schematicã a morfologiei şi organizăriii cromosomului la eucariote.

Pe lângă constricţia primară, determinantă a poziţiei centromerului, cromosomii au şi

constricţii secundare, cu rol în formarea nucleolului, fapt pentru care au primit şi denumirea de

organizatori nucleolari. Uneori, cromosomii au la unul din capete un segment numit satelit.

Numărul nucleolilor dintr-un nucleu este egal cu numărul cromosomilor cu satelit.

Centromerul (constricţia primară): - formaţiune de natură proteică, care permite ataşarea

cromosomilor la fibrele fusului de diviziune.

Regiunile telomerice: - sunt de natură proteică şi se formează prin activarea telomerazei

în primele stadii de dezvoltare;

- după formare, telomeraza se inactivează, iar regiunile telomerice se scurtează la

fiecare ciclu de diviziune.

Rolul regiunilor telomerice:

- împiedică alipirea cromosomilor în timpul diviziunii

- rol de protecţie enzimatică împotriva nucleazelor

- se presupune că intervine în vârsta celulei

telomer

satelitorganizator nucleolar

(constricţie secundară)

cromatide

centromer

(constricţie primară)

telomer

braţ scurt

braţ lung

Regiune

distală

Regiune

distală

Regiune

proximală

cromoneme

22

Organizatorul nucleolar (constricţia secundară): - deţine informaţia pentru formarea

nucleolilor.

Structura internă a cromosomilor la eucariote.

Referitor la compoziţia chimică a cromosomilor eucariotelor, s-a stabilit că principala

componentă o constituie substanţa cromatică, denumită cromatină, alcătuită, la rândul ei, din acizi

nucleici şi proteine. S-a constatat că partea proteică este reprezentată de proteine histonice, notate cu

H1, H2A, H2B, H3 şi H4. Aceste cinci histone au secvenţă aminoacidică asemănătoare la

majoritatea plantelor şi animalelor, ceea ce sugerează că gena care este responsabilă de biosinteza

lor are o origine foarte îndepărtată şi nu a suferit prea multe mutaţii, pe întregul parcurs al procesului

filogenezei.

Patru dintre proteinele histonice (H2A, H2B, H3 şi H4) formează octameri, particule în jurul

cărora se înfăşoară ADN, care, împreună cu proteina H1 alcătuiesc nucleosomul. Nucleosomul este

considerat, structura de bază a cromosomului. Analizele cu raze X au dovedit că nucleosomii sunt

legaţi între ei prin ADN neasociat cu histone, fiind sub forma unei fibrile de aproximativ 10 nm

grosime.

În celulele eucariotelor cu organizare superioară, nucleosomii conţin aproximativ 195 - 200 pb

de ADN, un octamer histonic alcătuit din câte două molecule de H2A, H2B, H3 şi H4 şi o moleculă

de H1. De asemenea, există şi un fragment de 27pb (perechi de baze), care nu este direct asociat cu

octamerul histonic. Acest fragment conectează, între ei, doi nucleosomi consecutivi. Lungimea

ADN pliat în jurul octamerului histonic este variabilă. În general, octamerul histonic are în jurul lui

aproximativ 1,7 ture de ADN (adică 146 pb). Octamerul histonic împreună cu cele 146 perechi de

nucleotide alcătuiesc miezul, sâmburele, particula centrală a nucleosomului.

Astfel, în conformitate cu acest model, există un disc de 11nm diametru, care are 1,7 ture de

acid dezoxiribonucleic, înfăşurat în jurul lui. Cele 146 de pb ale acidului dezoxiribonucleic nu sunt

repartizate uniform în jurul octameruiui histonic. Tetramerii 2H3 şi 2H4 interacţionează cu

macromolecula de ADN. S-a demonstrat că partea centrală a octameruiui are histonele H3 şi H4,

celelalte două histone fiind la exteriorul lor (pe feţele discului).

Integritatea octameruiui este asigurată de interacţiunile puternice între moleculele de histone

(H2A interacţionează cu H2b şi cu H3, H2B cu H2A şi cu H4, H3 cu H4).

23

Nucleosomii împreună cu acidul dezoxiribonucleic linker alcătuiesc o fibră cromatică de 11

nm grosime care se spiralizează, la rândul ei, dând un solenoid de 30 nm grosime.

În solenoid nucleosomii sunt aranjaţi într-un helix de stânga, câte

6 pe tura de helix, cu o grosime a spiralei solenoidului egalã cu

diametrul nucleosomului - adicã 11 nm.

Histona H1 este localizatã în sau lângã centrul

solenoidului. ADN-ul din componenţa solenoidului este, la rândul

lui, constituit din douã pãrţi - o parte ataşatã la miezul histonic şi

o altã parte cu rol de linker, care asambleazã nucleosomii în

solenoid.

Cromosomii metafazici, care sunt eliberaţi de aproximativ 99% din conţinutul lor histonic,

îşi pãstreazã ADN-ul în formã aproximativ constantã (asemenea cromosomilor iniţiali, intacţi),

probabil tocmai din cauzã cã ADN-ul este ataşat, în numeroase puncte, la scheletul proteic

nonhistonic intern. Acest schelet constã, în primul rând, din douã proteine, desemnate prin Sc1 şi

Sc2, cu greutãţi moleculare de 170 kD şi, respectiv, de 135 kD. Sc1 este Topoizomeraza II, buclele

radiale ale ADN-ului fiind ataşate la aceastã proteinã, în punctele numite SAR (în englezã

scaffolding attaching regions - regiuni de ataşare la schelet).

Eucromatina reprezintã materialul normal, izopicnotic, deţinãtorul informaţiei genetice, cu

comportament tipic în cazul diviziunii celulare (se spiralizeazã, se condenseazã, se decondenseazã şi

se coloreazã). La rândul ei, eucromatina este de douã tipuri: eucromatina activã şi eucromatina

permisivã.

Eucromatina activã conţine genele ce vor fi transcrise în ARNm.

24

Eucromatina permisivã este reprezentatã de acea porţiune din eucromatinã care devine activã

doar dupã ce acceptã (permite) semnale declanşatoare (din categoria hormonilor, enzimelor etc.).

Procesul autoreplicãrii semiconservative a ADN-ului, în faza S din ciclul diviziunii celulare, începe

la nivelul eucromatinei. În consecinţã, replicarea eucromatinei este mult mai timpurie, în comparaţie

cu cea a heterocromatinei.

Heterocromatina reprezintã materialul unor regiuni (uneori al unor întregi cromosomi)

heteropicnotice, caracterizate prin structurã densã şi compactã, inclusiv în telofazã, interfazã şi

profaza timpurie. Din aceste cauze, heterocromatina se coloreazã intens şi este vizibilã şi în interfaza

ciclului celular. Heterocromatina este componenta preferenţialã a cromosomilor sexuali şi a

celor suplimentari (cromosomii B). Sunt unele specii (broaştele ţestoase, unii viermi) la care

întregul set cromosomial este heterocromatic.

TRANSCRIPŢIA ŞI TRANSLAŢIA INFORMAŢIEI GENETICE

Transcripţia este procesul prin care regiuni din ADN (gene) sunt copiate în ARNm cu ajutorul

enzimelor ARN-polimeraze. Transcripţia mai este cunoscută şi sub numele de expresie a genelor.

Toate cele trei tipuri de ARN celular (ARNm, ARNr, ARNt) se sintetizează printr-un mecanism

complex cunoscut sub numele de transcrierea ARN, sau transcripţia ADN. Rolul principal în

acest proces biosintetic îl joacă enzima ARN-polimeraza-ADN-dependentă care necesită în

calitate de substrat cei patru ribonucleosid-5'-trifosfaţi (ATP, GTP, CTP, UTP), a ionilor de Mg

2+ şi

Mn2+

, precum şi prezenţa în calitate de template a ADN dublu-catenar.

Secvenţele de ARNm sunt în aşa fel prezentate, astfel încât sinteza să se desfăşoare de la stânga

la dreapta, în direcţia 5’ 3’

Copierea informaţiei

de pe catena antisens a

ADN şi sinteza ARNm

La eucariote există

diferite ARN-

polimeraze pentru cele trei tipuri de ARN transcrise, în timp ce la procariote există o singură ARN-

polimerază care este implicată în transcrierea celor trei tipuri de ARN. Biosinteza ARN sub acţiunea

ARN-polimerazei-ADN-dependente se desfăşoară în patru etape: legarea matriţei, iniţierea

transcrierii, elongarea catenei ARN, terminarea transcrierii.

25

Prima etapă (legarea matriţei) constă în interacţiunea ARN-polimerazei cu ADN-ul matriceal,

când se formează un complex binar ce poate lega în continuare ribonucleosid-trifosfatul pentru a

iniţia sinteza lanţului polinucleotidic de ARN.

ARN-polimeraza se ataşează stabil la nivelul unei secvenţe specifice de ADN, secvenţă numită

promotor. Promotorii reprezintă fragmente cu până la 50 de dezoxiribonucleotide, localizate

imediat înaintea genei (la eucariote), sau înaintea grupului de gene (la procariote) a cărei informaţie

genetică trebuie transcrisă în ARN. Promotorul conţine mai multe secvenţe aflate la distanţe diferite

de situsul start, care cuprind până la 6 nucleotide (GGCGGG – secvenţă numită şi GC box,

TATAAT – TATA box).

După legarea la promotor, are loc desfacerea

(despiralizarea) dublului helix de ADN,

formându-se aşa-numita buclă de transcriere,

sau complex deschis la nivelul căruia punţile de

hidrogen scindează.

A doua etapă: Din situsul start se iniţiază

biosinteza lanţului de ARN când ARN-

polimeraza debutează prin reacţia dintre ATP

sau GTP cu o a doua moleculă de ribonucleosid-

trifosfat, rezultând un dinucleotid care mai conţine un radical ortofosfat la capătul 3'. Succesiunea

bazelor azotate din promotor nu este transcrisă în catena de ARN nou sintetizat.

Elongarea (a treia etapă) catenei de ARN se realizează prin legarea succesivă a câte unui nou

ribonucleotid la gruparea OH liberă din poziţia 3' a dinucleotidului, respectiv a polinucleotidului

precedent.

Formarea legăturilor fosfodiesterice între ribonucleotide

se realizează numai în direcţia 5'3

', ceea ce înseamnă că

ARN-polimeraza începe să acţioneze la capătul 3' al catenei de

ADN ce urmează a fi transcrisă. Catena matricială (de ADN)

formează cu catena de ARN aflată în creştere un hibrid

molecular ADN-ARN temporar, prin intermediul punţilor de

hidrogen ce se stabilesc între bazele azotate complementare.

Deci, catena de ARN ce se sintetizează este complementară din

26

punctul de vedere al structurii sale primare cu catena de ADN utilizată drept matriţă.

Alungirea lanţului de ARN se continuă până când se ajunge la o altă secvenţă specială de pe

ADN, secvenţă formată din trei nucleotide, numită semnal stop (a patra etapă – terminarea

transcrierii). Semnalul stop, numit şi semnal de terminare este reprezentat de un anumit bloc de baze

azotate perechi. În momentul în care ARN-polimeraza ajunge în dreptul situsului stop, ea se

desprinde de pe ADN, eliberându-se în acelaşi timp şi molecula de ARN transcris.

Spre deosebire de replicarea ADN, care este

semiconsevativă, transcrierea acestuia este un

proces complet conservativ. Macromoleculele de

ARN astfel sintetizate sunt apoi supuse maturării

post-trascripţionale.

Eucariotele au trei tipuri de ARN-polimeraze,

fiecare fiind responsabilă pentru transcrierea a

diferite seturi de gene. Aceste enzime au fost notate

cu ARN-polimeraza I, II şi III.

ARN-polimerazele sunt molecule proteice mari, unele din ele având molecula alcătuită din mai

multe subunităţi. De exemplu, ARN-polimeraza din Escherichia coli este o enzimă care conţine în

moleculă patru subunităţi, notate cu , , şi , alături de ioni de zinc.

Deosebirea esenţială dintre cele trei ARN-polimeraze ale eucariotelor, constă în localizarea

celulară şi în funcţiile acestora:

- ARN-polimeraza I este localizată preponderent în nucleol şi catalizează biosinteza ARN

ribosomal.

- ARN-polimeraza II este localizată în principal în nucleoplasmă şi este implicată în biosinteza

ARN mesager (ARN informaţional) ce va fi decodificat în procesul translaţiei informaţiei

genetice.

- ARN-polimeraza III este localizată în nucleoplasmă şi participă la biosinteza ARN transportor,

precum şi la transcrierea moleculelor foarte mici de ARN 5S, molecule care intră în structura

ribosomilor.

27

Prelucrarea ARN transcris primar

În procesul de transcripţie a eucariotelor, produşii sintetizaţi sunt reprezentaţi de ARNm

precursor, numit şi pre-ARNm, ARN premesager sau ARN heterogen, alături de precursorii

ARNt şi ARNr. Macromoleculele de ARN precursor, înainte de a fi exportate în citoplasmă, ca să

devină funcţionale sunt supuse la o serie de modificări: tăiere, ordonare şi unire, modificări

cunoscute sub denumirea de matisare sau splicing. Acest proces este necesar pentru ca intronii

prezenţi în macromoleculele precursor să fie eliminaţi, în aşa fel ca numai secvenţele exonice să fie

unite, pentru a realiza macromoleculele de ARN matur.

Prima modificare constă în metilarea capătului 5' (capăt care este primul sintetizat în timpul

transcripţiei) reprezentată de o moleculă de 7-metil guanozin trifosfat. Acest proces se numeşte 5'-

capping. Capătul 5'-metilat va avea ulterior, un rol foarte important în iniţierea sintezei proteice,

precum şi de asigura protecţia împotriva degradării macromoleculei de ARN care este transcrisă.

A doua modificare, are loc la nivelul capătului opus al lanţului ARN şi anume la capătul 3'. La

această extremitate a ARN, se ataşează o „coadă” poliadenilică. Acest lanţ poliadenilic se adaugă la

ARN transcris, imediat după ce ARN-polimeraza a depăşit regiunea terminator a genei transcrise.

Lanţul poliadenilic este un polimer format din 50 – 250 de nucleotide cu adenină (acid adenilic).

Respectivul proces este realizat de către o polimerază numită polimeraza poli-A.

A treia modificare constă în acoperirea întregului lanţ de ARNm cu un strat de proteine care îl

protejează de atacul endonucleazelor.

După realizarea acestor modificări, toţi intronii sunt îndepărtaţi, iar exonii se îmbină unii cu

alţii. Rezultatul este o macromoleculă de ARN mult mai scurtă, care conţine o secvenţă

informaţională continuă. Când şi această etapă (matisare, splicing) s-a încheiat, rezultă ARNm

matur sau funcţional, care poate părăsi nucleul pentru a iniţia translaţia.

Intronii care trebuiesc înlăturaţi din ARN transcris primar prin procesare, au mărimi variabile,

cuprinse între 80 şi 10 000 de nucleotide. Singurele secvenţe importante din structura intronilor sunt,

cele implicate în excizia lor prin ARN-procesare. Aceste secvenţe care acţionează ca markeri,

numite secvenţe de consens sunt situate strict la cele două capete ale fiecărui intron. Secvenţa

specifică de la capătul 5' al intronului poartă numele de situs donor, iar cea de la capătul 3

' se

numeşte situs acceptor.

28

În timpul procesării ARN transcris primar, are loc ruperea catenei de ARN la nivelul

secvenţelor de consens ale intronului, îndepărtarea întregului intron şi legarea la loc a catenei de

ARN, respectiv a celor doi exoni care erau despărţiţi iniţial de intronul excizat.

În nucleul celulelor există o serie de complexe macromoleculare formate din proteine şi ARN

cu secvenţă foarte scurtă, de aproximativ 250 de nucleotide. Aceste complexe, notate cu U1, U2, U3,

... U12, sunt denumite ribonucleoproteine mici (snRNP- small nuclear ribonucleoprotein

particles). S-a dovedit că snRNP au un rol esenţial în procesarea ARN transcris primar.

În timpul procesării, moleculele de snRNP (U1 şi U2) se leagă la situsul donor şi respectiv la

situsul acceptor, apoi asociindu-se cu alte molecule de snRNP, formează complexe moleculare mari,

numite spliceosomi. Aceste particule de mărimea unui ribosom, produc excizia intronilor. Unul din

rolurile ARN din snRNP este de a recunoaşte complementaritatea dintre perechile de baze folosind

secvenţele de nucleotide care marchează începutul şi sfârşitul fiecărui intron (situsurile donor şi

acceptor). După asamblarea spliceosomului procesul de excizie a intronului decurge în două trepte:

- în prima etapă are loc ruperea lanţului ARN la nivelul situsului donor şi legarea capătului liber

5' la o adenină din apropierea situsului acceptor, formându-se astfel un lasou (buclă, laţ);

- în etapa a doua are loc ruperea ARN la nivelul situsului acceptor şi legarea capetelor libere ale

exonilor.

După terminarea procesării ARN, rezultă ARN matur care conţine informaţia genetică într-o

secvenţă neîntreruptă pentru sinteza unui lanţ polipeptidic.

Diferențe ale procesului de transcripție la procariote și eucariote

Procariote Eucariote

transcripţia are loc concomitent cu translaţia,

informaţia genetică fiind prezentă în

citoplasmă, adică acolo unde este şi utilizată

transcripţia este decalată în timp şi spaţiu

de translaţie, deoarece are loc în nucleu,

în timp ce proteinele sunt sintetizate în

citoplasmă

este realizată de o singură enzimă ARN-

polimerază

este realizată de trei ARN-polimeraze

diferite

macromoleculele de ARNm sintetizate nu

suferă modificări posttranscripţionale

sinteza unor precursori numiţi transcripţi

primari, care, posttranscripţional suferă

modificări importante

29

Asemănări ale procesului de transcripție la procariote și eucariote

Procariote şi Eucariote

copierea unei singure catene din segmentul de ADN care reprezintă gena

dezrăsucirea macromoleculei de ADN, pentru ca ARN-polimeraza să aibă acces la nucleotide, iar catena de

ADN să poată servi ca matriţă pentru sinteza ARN şi refacerea dublului helix pe măsură ce gena a fost

transcrisă

iniţierea şi stoparea transcripţiei la nivelul unor regiuni specifice recunoscute de ARN-polimerază

Translația

Proteinele sunt macromolecule liniare, alcătuite din aminoacizi. Secvenţa aminoacizilor din

proteină – numită structură primară – este determinată de structura unei gene specifice.

La baza procesului complex de biosinteză a proteinelor stă aşa-numitul principiu al sintezei

complementare pe (template) matriţă, principiu ce se mai întâlneşte atât la replicarea ADN cât şi

la biosinteza ARN. În procesul de biosinteză a proteinelor se foloseşte drept matriţă ARNm,

În sens strict, prin translaţia informaţiei genetice se înţelege traducerea secvenţei de

nucleotide din ARNm, într-o secvenţă de aminoacizi, acesta din urmă constituind structura primară a

unei anumite proteine.

Procesul propriu-zis de biosinteză a proteinelor se realizează la nivelul ribosomilor în mai multe

etape: activarea aminoacizilor, iniţierea translaţiei, elongarea, terminarea translaţiei şi modificarea

post-translaţională a proteinelor.

Activarea aminoacizilor: Această etapă constă în faptul că, fiecare tip de aminoacid din

citoplasmă recunoaşte prin intermediul unei enzime specifice, un ARNt specific, alături de care

formează un complex activ de tipul aminoacil-ARNt. Această recunoaştere este înalt specifică în

sensul că fiecărui aminoacid proteinogen îi corespunde un anumit ARNt şi se realizează datorită

înaltei specificităţi de substrat a enzimei ce catalizează această reacţie, enzimă care se numeşte

aminoacil-ARNt-sintetază.

Deci, codul genetic este translatat de două seturi de adaptori, care acţionează secvenţial şi cu

mare specificitate: aminoacil-ARNt-sintetaza care leagă un anumit aminoacid la ARNt

30

corespunzător şi molecula de ARNt care se ataşează prin anticodon, la codonul corespunzător din

secvenţa ARNm.

2. Iniţierea translaţiei:

recunoaşterea semnalului de start din catena polinucleotidică a ARNm,

asocierea subunităţilor ribosomale, legarea complexului aminoacil - ARNt corespunzător la aceste

subunităţi

formarea complexului ribosomal activ.

Complexele aminoacil-ARNt sintetizaţi în citoplasmă, sunt transportaţi spre ribosomi unde are

loc procesul propriu-zis de biosinteză al lanţurilor polipeptidice. În acest caz, ribosomii au rol de

suport-catalizator al biosintezei proteice.

Un ribosom conţine patru situsuri de legare pentru macromoleculele de ARN: unul pentru

macromolecula de ARNm şi trei numite A, P şi E pentru ARNt (A, de la aminoacil- ARNt; P, de la

peptidil-ARNt şi E, de la exit – ieşire).

ARNm se leagă de subunitatea mică (de 30 S la procariote, respectiv de 40 S la eucariote)

printr-o secvenţă pe care o conţine, secvenţă ce precede regiunea ce codifică proteina propriu-zisă,

numită şi situs de legare la ribosom (RBS – Ribosome Binding Sequence). La acest situs se

formează un complex de iniţiere la care se ataşează subunitatea mare. Subunitatea mare catalizează

formarea legăturii peptidice între aminoacizi. Ea conţine trei situsuri: A, P, E.

Situsul A, numit şi situs acceptor, sau aminoacilic, sau situs de intrare, ţine legată o

macromoleculă de ARNt care corespunde codonului ARNm ataşat de ribosom. Înainte ca aminoacil-

ARNt să intre, acest situs expune codonul care reprezintă următorul aminoacid ce trebuie să fie

adăugat la lanţul polipeptidic.

Situsul P, numit şi situs donor, sau situs peptidilic, leagă primul aminoacil-ARNt în momentul

iniţierii sintezei proteinei, apoi va conţine lanţul polipeptidic în creştere.

Situsul E marchează locul de eliberare al ARNt din ribosom.

Situsul de legare al ARNm, situat pe subunitatea mică, asigură asocierea ARNm cu ribosomul

în aşa fel încât, doi codoni succesivi din ARNm să fie dispuşi exact în dreptul situsurilor A şi P.

Iniţierea biosintezei proteice debutează prin asocierea moleculei de ARNm la suprafaţa

subunităţii mici a ribosomului, într-un punct situat la aproximativ 10 nucleotide de capătul 5 al

catenei, deoarece „citirea” programului genetic stocat în ARNm se face în sensul 53.

31

Translaţia unui ARNm începe cu codonul AUG, iar pentru iniţierea translaţiei este necesar un

ARNt special, numit ARNt iniţiator. În cazul eucariotelor, ARNt iniţiator poartă întotdeauna o

metionină, iar la bacterii, ARNt iniţiator poartă formil-metionina. De aceea, lanţurile polipeptidice

au întotdeauna metionina, respectiv formil-metionina ca prim aminoacid al capătului aminoterminal.

Subunitatea ribosomală încărcată se leagă la capătul 5 al unui ARNm care este recunoscut

datorită acoperirii sale de către 7 metil-guanozin trifosfat. Subunitatea mică se mişcă în direcţia

53 de-a lungul ARNm căutând prima secvenţă AUG (secvenţa START). Când a întâlnit AUG,

factorii de iniţiere se disociază de subunitatea ribosomală mică făcând loc subunităţii ribosomale

mari, care se asamblează cu cea mică formând ribosomul funcţional.

La bacterii, mecanismul pentru selectarea unui codon start este diferit. ARNm bacterian nu are

un capăt 5 acoperit care să semnaleze ribosomului de unde să înceapă translaţia. El are însă

secvenţe specifice pentru legarea ribosomilor, secvenţe cu o lungime de şase nucleotide care sunt

localizate cu câteva nucleotide înaintea codonului AUG de la care începe translaţia.

Spre deosebire de ribosomul eucariot, ribosomul procariot se poate lega direct de un codon start

din interiorul ARNm, dacă acesta este precedat de câteva nucleotide faţă de situsul de legare al

ribosomilor. ARNm procariot este policistronic, adică deține informaţia necesară pentru sinteza mai

multor proteine diferite care pot rezulta din aceeaşi macromoleculă de ARNm. Spre deosebire de

procariote, ARNm de la eucariote poartă informaţia pentru sinteza unei singure proteine, deci este

monocistronic.

3. Elongarea lanţului polipeptidic

Procesul elongării lanţului polipeptidic pe ribosom, poate fi considerat ca un ciclu în care se

succed trei etape (Figura 4):

1. În prima etapă, o moleculă de aminoacil-ARNt se leagă la situsul A liber de pe ribosom

(adiacent situsului P ocupat), prin formarea bazelor perechi dintre ARNt (anticodonul) şi cele din

codonul de pe ARNm expus în acest situs.

2. În etapa a doua, capătul carboxil (-COOH) al lanţului polipeptidic este decuplat de pe ARNt

din situsul P şi legat printr-o legătură peptidică la gruparea amino liberă a aminoacidului legat la

ARNt din situsul A. Reacţia catalizată de peptidil-transferază este însoţită de alunecarea subunităţii

mari, faţă de subunitatea mică. Prin această alunecare cei doi ARNt se deplasează în situsurile E şi P

ale subunităţii mari.

32

3. În etapa a treia, subunitatea mică se deplasează exact cu trei nucleotide în lungul lanţului

ARNm spre capătul 3 şi se alătură la subunitatea mare, iar ARNt părăseşte situsul E. Deci, situsul A

rămâne liber, legând un nou aminoacil-ARNt corespunzător codonului ARNm expus în acest situs.

Acest ciclu în trei etape se repetă de fiecare dată când un aminoacid este adăugat în lanţul

polipeptidic care creşte de la capătul amino la capătul carboxil, până când întâlneşte un nou codon.

4. Terminarea sintezei lanţului polipeptidic

Sinteza unui lanţ polipeptidic este oprită printr-un semnal determinat de prezenţa codonilor

STOP: UAA, UAG, AGA. Aceştia nu pot fi recunoscuţi de nici un ARNt şi nu specifică un

aminoacid. Rolul codonilor stop este de a semnaliza ribosomului să oprească translaţia. Proteinele

numite factori de eliberare se leagă de codonul stop care ajunge în situsul A al ribosomului. La

procariote sunt doi factori de eliberare, notaţi: EF1 şi EF2. Factorul EF1 recunoaşte codonii UAA şi

UAG, iar factorul EF2 recunoaşte codonii UAA şi UGA. Celulele eucariote conţin doar un singur

factor de terminare notat CRF care recunoaşte toţi cei trei codoni stop.

Ribosomul eliberează ARNm şi se disociază în cele două subunităţi, care se pot asambla pe o

altă moleculă de ARNm pentru a începe un nou ciclu de sinteză proteică.

ARNm poate fi tradus simultan de mai mulţi ribosomi, atât la celulele eucariote, cât şi la cele

procariote. Odată ce un ribosom s-a deplasat de pe situsul de iniţiere, un alt ribosom se poate lega de

ARNm şi poate începe sinteza unui nou lanţ polipeptidic. În această manieră, un ARNm este tradus

de o serie de ribosomi aşezaţi la intervale de 100-200 de nucleotide. Grupul de ribosomi ataşaţi la o

macromoleculă de ARNm este numit poliribosom sau polisom. Fiecare ribosom din grup

funcţionează independent pentru a sintetiza un lanţ polipeptidic separat.

III. FOTOSINTEZA

Fotosineza este procesul fiziologic prin care plantele verzi îşi sintetizează cu ajutorul luminii

şi cu participarea pigmenţilor asimilatori substanţele organice proprii, folosind ca materii prime o

sursă anorganică de carbon (CO2 sau ionii bicarbonat), apă şi săruri minerale.

Procesul este însoţit, la plantele superioare de o degajare de O2, ca produs secundar; spre

deosebire de acstea, bacteriile fotoautotrofe realizează procesul de fotosinteză fără producere de O2.

Pentru a se realiza, procesul necesită trei condiţii principale: prezenţa în celule a pigmenţilor

asimilatori; existenţa în mediu a CO2; prezenţa luminii.

33

Fotosinteza are loc în celulele organelor verzi ale plantelor expuse la lumină, celule ce conţin

un complex de pigmenţi asimilatori, localizaţi în cloroplaste.

La algele unicelulare - fotosinteza este îndeplinită de însăşi celulele, ce reprezintă indivizii,

iar la algele cu tal masiv – (Laminaria) – numai primele 6-8 straturi de celule de la suprafaţa talului

formează un înveliş asimilator, cu feoplaste voluminoase, ovoidale.

La plantele superioare activitatea fotosintetică este îndeplinită predominant de către frunze,

limbul acestora prezentând adaptări ce favorizează desfăşurarea procesului: forma turtită a limbului

oferă o suprafaţă mare de contact cu mediul înconjurător; poziţia frunzelor favorizează prin

aşezarea, în general orizontală a limbului, absorbţia luminii necesară în fotosinteză; structura

anatomică a frunzelor evidenţiază la nivelul epidermei aparatul stomatic, prin care are loc

difuziunea CO2 din aerul înconjurător în mezofil, proces favorizat şi de prezenţa spaţiilor

intercelulare între celulele ţesutului palisadic şi ţesutului lacunos.

Fotosinteza poate fi îndeplinită nu numai de limbul frunzelor, ci şi de celelalte părţi ale

acestora: stipele, peţiol, teacă, precum şi de alte organe - tulpini tinere nesuberificate, părţi ale

învelişurilor florale - bractee şi sepalele, precum şi fructe verzi în curs de creştere; este posibilă, de

asemenea, o fotosinteză de intensitate redusă şi la tulpinile mai vârstnice, sub stratul subţire de suber,

precum şi în rădăcinile aeriene ale plantelor epifite, sub stratul de velamen ce le acoperă, în cazul când

acesta devine transparent, ca urmare a îmbibării cu apă.

Procesul fotosintezei are loc la toate plantele fotoautotrofe în organite speciale din celulele

mezofilului frunzei, numite cloroplaste. Numărul acestora la plantele superioare variază de la câteva

zeci, până la câteva sute în fiecare celulă, în dependenţă de condiţiile mediului de existenţă şi de tipul

de ţesut; de exemplu, la una şi aceeaşi plantă, în frunzele expuse la lumină puternică se formează mai

multe cloroplaste (în ţesutul palisadic), iar în cele expuse la lumina difuză mai puţine.

Suprafaţa totală a cloroplastelor în plantă este foarte mare: de exemplu, la o frunză de fag

aceasta depășește de 20 de ori suprafaţa frunzei, iar la un arbore de 100 de ani este estimată a fi de

aproximativ 20.000 m2 (2 hectare), valori cu importanţă deosebit de mare legată de productivitatea

procesului.

Cloroplastele se găsesc în celule într-o continuă mişcare, deplasându-se în hialoplasma celulară

în funcţie de intensitatea luminii printr-o cicloză continuă pasivă sau printr-o cicloză activă

amoeboidală și orientându-se spre sursa de lumină astfel încât să se ferească de supraîncălzire sau de

fotooxidare.

34

Celulele asimilatoare conţin un ansamblu de pigmenţi care intervin în procesul de fotosinteză,

cunoscuţi sub denumirea de pigmenţi asimilatori, împărţiţi, pe baza particularităţilor lor structurale, în

trei grupe: pigmenţi clorofilieni, pigmenţi carotenoizi şi pigmenţi ficobilini. Dintre aceştia pigmenţii

clorofilieni au o deosebită importanţă în procesul fotosintezei, pigmenţii carotenoizi însoţesc pigmenţii

clorofilieni în celulele asimilatoare ale tuturor plantelor, iar cei ficobilini se întâlnesc împreună cu

ceilalţi la algele albastre-verzi şi la algele roşii.

Din grupa pigmenţilor clorofilieni fac parte: clorofila a - în celulele asimilatoare ale tuturor

platelor fotosintetizante, clorofila b - la plantele superioare şi la algele verzi, clorofila c - la diatomee şi

algele brune, clorofila d - la unele alge roşii şi clorofila e - la algele galben-aurii. La bacteriile

autotrofe fotosintetizante s-a detectat bacterioviridina la bacteriile verzi, bacterioclorofila a la

bacteriile purpurii şi verzi şi bacterioclorofila b într-o tulpină a unei bacterii purpurii aparţinând

genului Rhodopseudomonas.

Din punct de vedere chimic moleculele de clorofilă reprezintă gruparea prostetică a unor

cromoproteine. Caracteristica esenţială a lor este prezenţa în structură a unui nucleu tetrapirolic cu un

atom de magneziu în centru, legat de atomii de azot ai celor patru nuclei pirolici prin două valenţe

chimice şi prin două legături fizice.

Pigmenţii asimilatori au rolul de a absorbi, conform cu particularităţile lor de absorbţie,

radiaţiile de lumină a căror energie este utilizată la sinteza substanţelor organice, în cursul procesului de

fotosinteză.

Dintre toţi pigmenţii asimilatori ai plantelor fotoautotrofe un rol deosebit îl are clorofila a, care

este acceptorul final al energiei radiaţiilor absorbite de ceilalţi pigmenţi şi care este capabilă să

absoarbă, ea însăşi, anumite radiaţii ale spectrului solar. În timpul fotosintezei moleculele de clorofila

a, ajunse în stare de excitaţie, revin la starea fundamentală eliminând un electron cu un potenţial

energetic ridicat şi acceptând un alt electron, cu un potenţial energetic normal. În consecinţă, în

ansamblul reacţiilor ce caracterizează mecanismul fotosintezei au loc procese de oxidoreducere, în

cadrul cărora moleculele de clorofila a transferă electroni unei substanţe ce se reduce şi primesc alţi

electroni de la substanţă ce se oxidează. Prin acest transfer are loc transformarea energiei luminii

absorbite în energie chimică, deci reacţia fotochimică a fotosintezei.

În frunzele bătrâne sau în condiţii nefavorabile de viaţă (secetă, exces de umiditate, insolaţie

puternică, exces de substanţe toxice, temperaturi scăzute) are loc degradarea peristromei cloroplastului,

dezorganizarea stromei, granelor şi, în final, descompunerea moleculelor de clorofilă, până la dispariţia

culorii verzi. Se formează în această situaţie epiporfirina - pigment roşu, feofitina - brun, pigmenţii

35

carotenoizi - mai rezistenţi la degradare şi pigmenţii antocianici; ca urmare, apar coloraţii specifice

frunzelor în perioada de toamnă, cu nuanţe de galben, portocaliu, brun roşietic şi albăstrui, funcţie de

raportul dintre aceste componente.

MECANISMUL FOTOSINTEZEI

I. Faza de lumină a fotosintezei

FAZA I - a, luminoasă, sau reacţia de lumină, faza HILL - constă dintr-un ansamblu de

reacţii în care esenţială este reacţia fotochimică, pe baza ei se realizându-se transformarea energiei

luminoase în energie chimică, înmagazinată în substanţele organice produse în timpul fotosintezei.

Aceste procese se desfăşoară în granele cloroplastelor şi în prezenţa pigmenţilor asimilatori,

cuprinzând următoarele procese: captarea CO2 în cloroplastele celulelor asimilatoare, stimularea

clorofilei pentru fixarea energiei luminoase, fosforilare ADP în ATP, fotoliza apei cu fixarea de H+ în

NADP redus şi eliminarea O2. Toate aceste procese necesită în mod obligatoriu prezenţa luminii şi sunt

grupate în trei etape distincte: pătrunderea CO2 în cloroplaste; absorbţia energiei luminoase;

transformarea energiei luminoase în energie chimică.

● Pătrunderea CO2 în cloroplaste

În această etapă aerul din mediul înconjurător pătrunde prin ostiolele stomatelor, deschise prin

reacţie fotoactivă, trecând în camera substomatică, de unde difuzează în spaţiile intercelulare, și ajunge

în contact direct cu pereţii celulozici ai celulelor asimilatoare din ţesutul palisadic şi lacunos. Dacă

pereţii celulelor asimilatoare sunt umezi, permanent irigaţi cu apa absorbită din sol, CO2 din aerul

circulant în spaţiile intercelulare, cu o mare capacitate de hidrosolubilizare, se dizolvă în apă şi trece în

acid carbonic, care - după disociere - dă formele ionice HCO3- şi CO3

-, care difuzează în citoplasma

celulară, ajungând până la cloroplaste.

Noaptea, când stomatele sunt închise prin reacţie fotoactivă, precum şi în perioadele de secetă,

când stomatele sunt închise prin reacţie hidroactivă, pereţii celulelor din mezofilul frunzei sunt uscaţi,

fotosinteza este blocată, iar creşterea plantelor stagnează, din lipsa asimilatelor nou sintetizate.

● Absorbţia energiei luminoase

Constă din captarea luminii de către pigmenţii asimilatori sub formă de fotoni. Intensitatea

acestui proces fotofizic este direct proporţională cu numărul de fotoni absorbiţi, ceea ce face ca

necesarul de lumină pentru fotosinteză să se exprime prin numărul de cuante luminoase/moleculă.

36

În grana cloroplastelor clorofila a există sub două forme: una cu maximum de absorbţie la 700

nm care, alături de un alt pigment accesoriu formează sistemul fotochimic I şi o altă formă, cu

maximum de absorbţie la 690 nm care, alături de clorofila b, pigmenţii carotenoizi şi de pigmenţii

ficobilini la algele roşii - formează sistemul fotochimic II. Fiecare din aceste sisteme fotochimice

posedă câte un centru de reacţie ce funcţionează ca o pompă de electroni, întrucât moleculele de

clorofilă a constituite în centrul de reacţie emit electroni de înaltă energie când ajung în starea de

excitaţie şi revin la starea fundamentală, acceptând electroni cu potenţial energetic normal.

Cea mai mare parte a moleculelor de clorofilă a din aceste fotosisteme, precum şi celelalte

molecule de pigmenţi asimilatori au un rol comparabil cu acela al unei antene, care constă în captarea

radiaţiilor de lumină şi în transferarea energiei acestora moleculelor din centrii de reacţie. În

captarea energiei luminoase rolul principal îl prezintă clorofila a690 din fotosistemul II de pigmenţi,

care acţionează ca un sensibilizator optic şi participă direct la captarea cuantelor de lumină, îndeosebi a

fotonilor roşii şi albaştri. Energia luminoasă fixată de clorofila a690 este transferată pe moleculele de

clorofilă a700 într-un timp foarte scurt (10-8

- 10-9

secunde). Acest transfer de energie este posibil numai

atunci când distanţa între moleculele de clorofilă este sub 50-100 Å, condiţie realizată în cuantozomi

unităţi elementare funcţionale ale cloroplastelor, ce răspund de absorbţia şi de transformarea energiei

luminoase. Se consideră că în acest proces 200 molecule de clorofila a690 aranjate într-un fascicul au

funcţia asemănătoare unei lentile ce captează fotonii şi îi concentrează într-un punct focal, respectiv pe

molecula de clorofilă a700, cu rol de depozit primar al energiei luminoase.

Pigmenţii din fotosistemul II de pigmenţi participă indirect în această etapă fiziologică, prin

captarea unei cantităţi reduse de fotoni, pe care îi transferă pe clorofila a690 prin inducţie moleculară

sau prin fenomene de rezonanţă.

● Transformarea energiei luminoase în energie chimică

Cuprinde trei subetape: fotofosforilarea aciclică, fotofosforilarea ciclică şi fotoliza apei.

Prin procesele de fosforilare plantele verzi înmagazinează o parte din energia liberă ce provine

din activitatea metabolică proprie sau de la soare şi conservă un anumit potenţial energetic sub formă de

molecule stabile, bogate în energie, moleculele de ATP, care este utilizat, după hidroliză, în satisfacerea

nevoilor termodinamice ale reacţiilor endergonice din metabolism. În acest proces ATP-ul este într-o

continuă sinteză şi hidroliză.

La plantele verzi fotoautotrofe există, pe lângă fosforilarea oxidativă, procese de sinteză a ATP-

ului prin fosforilare fotosintetică sau fotofosforilare.

37

În cazul sistemului fotochimic II, reducerea moleculelor de clorofilă a din centrul de reacţie se

face prin intermediul unei substanţe necunoscute care conţine Mn şi care ia electroni de la moleculele

de apă ce participă ca materie primă în fotosinteză, transformându-se în protoni de hidrogen şi în

oxigen. În cazul sistemului fotochimic I rolul de reducător al moleculelor de clorofilă a din centrul de

reacţie este îndeplinit de citocromul f, iar cel de oxidant de către ferredoxină - o proteină ce conţine

fier.

Cele două sisteme fotochimice a căror centri de reacţie funcţionează ca o pompă de electroni

sunt legate în serie şi nu în paralel, electronii emişi de sistemul fotochimic II fiind preluaţi de

plastochinonă şi transmişi, prin intermediul unui lanţ de citocromi (citocromul b6 şi citocromul f) la

sistemul fotochimic I, ale cărui molecule de clorofilă a din centrul de reacţie sunt readuse astfel la

starea stabilă. Electronii emişi de sistemul fotochimic I sunt captaţi de ferredoxină şi sunt transferaţi

prin intermediul unei flavoproteine, împreună cu hidrogenul rezultat în urma sciziunii moleculelor de

apă prin intervenţia sistemului fotochimic II, la nicotinamid-adenin dinucleotid-fosfat, forma redusă

(NADPH) + H+.

Deci, în cursul fazei de lumină, electronii furnizaţi de apă sunt excitaţi succesiv de radiaţiile de

lumină la nivelul sistemului fotochimic II şi apoi la nivelul sistemului fotochimic I. În cursul acestui

transfer de electroni se produce şi o fosforilare, care constă în înglobarea unei părţi a energiei

luminoase în energie chimică, sub formă de grupări fosforice macroergice în ATP, la nivelul

transportului de electroni de la citocromul b6 la citocromul f. Se crede că ferredoxina poate să reducă

în aceeaşi măsură şi citocromul b6, fosforilarea fiind astfel posibilă şi fără intervenţia apei şi degajarea

de O2. În acest caz este excitat doar sistemul fotochimic I şi electronii emişi de centrul de reacţie al

acestuia îşi reiau locul după ce au trecut prin ferredoxină, citocromul b6 şi citocromul f. Această

fosforilare - în cadrul căreia moleculele de clorofilă a reprimesc chiar electronii pe care i-au emis - se

numeşte fotofosforilare ciclică, spre deosebire de fosforilarea aciclică, în cursul căreia moleculele de

clorofila a din centrul de reacţie al fotosistemului II revin la starea stabilă pe seama electronilor

proveniţi de la apă. Fotofosforilarea aciclică este cuplată şi cu reducerea nicotinamid-adenin

dinucleotid-fosfatului, forma oxidată (NADP+) la (NADPH) + H

+.

Grupările macroergice de ATP rezultate prin fosforilare nu pot difuza spre citoplasmă, întrucât

membrana dublă a cloroplastelor este impermeabilă. Transferul energiei din cloroplaste în citoplasmă şi

în diferite organite citoplasmatice se face prin intervenţia triozofosfaţilor fotosintetizanţi şi a acidului

fosfogliceric, ce rezultă în reacţiile de glicoliză.

Organizarea - din punct de vedere funcţional - a moleculelor de pigmenţi asimilatori din

sistemele fotochimice pe de o parte în centri de reacţie, iar pe de altă parte în antene de pigmenţi

38

reprezintă o adaptare ce permite realizarea unui randament fotosintetic mai bun; aceasta, deoarece

pigmenţii antenelor ce pot absorbi individual doar un număr mic de fotoni pe secundă colectează

energia fotonilor absorbiţi şi o transmit centrilor de reacţie, permiţându-le să pompeze un mare număr

de electroni de înaltă energie pe secundă.

Dacă fiecare moleculă de clorofilă a ar funcţiona şi ca pompă de electroni, fiecare dintre aceste

molecule ar trebui să dispună de un set propriu de substanţe, ce participă la transportul de electroni

caracteristic fiecărui sistem fotochimic. Aceasta ar face ca din lumina ce ajunge la pigmenţii asimilatori

să fie absorbită de către aceştia doar o fracţiune mică, restul radiaţiilor devenind ineficiente, printr-o

absorbţie inutilă, de către moleculele de substanţe ce intervin în transportul de electroni. Într-o astfel de

situaţie randamentul fotosintezei s-ar micşora pe de o parte prin înrăutăţirea condiţiilor de absorbţie a

luminii de către pigmenţii asimilatori, iar pe de alta prin faptul că moleculele de substanţe ce intervin în

transportul de electroni nu ar fi folosite eficient, întrucât fiecare moleculă ar transporta un număr mic de

electroni în unitatea de timp.

II. Faza de întuneric a fotosintezei

FAZA a II - a, de întuneric, faza BLACKMANN sau faza termo-chimică, enzimatică -

constă într-un ansamblu de reacţii independente de lumină, dar dependente de temperatură, în care

intervin anumite enzime localizate în stroma nepigmentată a cloroplastelor. Aceste reacţii permit

fixarea CO2 pe o substanţă acceptoare, regenerarea acceptorului şi sinteza substanţelor ce conţin

carbonul preluat din CO2 absorbit. Astfel se sintetizează substanţe organice primare (trioze fosforilate),

care polimerizează în substanţe organice complexe (glucide, lipide, proteine, acizi nucleici, pigmenţi).

Reacţiile din cursul fazei de întuneric sunt grupate în ciclu CALVIN–BENSON-BASSHAM,

după numele cercetătorilor care au contribuit la clarificarea a numeroase aspecte ale mecanismului

fotosintezei şi care au primit în anul 1961 Premiul Nobel pentru chimie. Durata ciclului este de

aproximativ 5 secunde.

Prima substanţă organică sintetizată în frunze prin procesul de fotosinteză este ribulozo-1,5-

difosfatul (RuDP), cu 5 atomi de carbon în catenă. Această substanţă poate fixa CO2 în prezenţa apei,

în urma fixării rezultând două molecule de acid fosfogliceric (A.P.G.).

Reducerea acidului fosfogliceric la aldehidă fosfoglicerică este fenomenul chimic, cel puţin

parţial cel mai important al fotosintezei, deoarece această reacţie îmbogăţeşte catena de atomi de carbon

în hidrogen şi energie. Hidrogenul necesar acestei reacţii este furnizat de NADPH + H+, iar energia

necesară reducerii este dată de ATP, substanţe ce se formează în cursul reacţiilor fazei de lumină a

fotosintezei.

39

Până nu de mult se considera că fixarea la lumină a CO2 atmosferic şi încorporarea carbonului

în substanţe organice s-ar face la toate speciile vegetale pe o cale unică, conform reacţiilor din ciclul

CALVIN, denumit mai recent ciclul C3, întrucât primul compus stabil format după cuplarea CO2 pe

acceptorul organic este un compus cu 3 atomi de carbon - acidul-3-fosfogliceric. S-a constatat însă că

există unele specii la care fixarea fotosintetică a CO2 atmosferic se realizează pe o altă cale - calea

HATCH – SLACK - KORTSCHAK (H.S.K.) sau ciclul C4 - deoarece primii compuşi stabili formaţi

după cuplarea CO2 sunt doi produşi cu 4 atomi de carbon, acidul malic şi acidul aspartic, care derivă

dintr-un compus instabil cu 4 atomi de carbon - acidul oxalilacetic.

La plantele la care CO2 se acumulează în cantitate mare sub formă de acid malic această

specializare biochimică este reflectată în majoritatea cazurilor atât în structura frunzelor, cât şi în cea a

cloroplastelor. Celulele mezofilului de la aceste plante posedă cloroplaste cu tilacoizi şi grane normale,

conţin granule de amidon puţine şi sunt aşezate radiar în jurul tecii fasciculare. Celulele din teaca

fasciculară, în care se înmagazinează mult amidon, conţin cloroplaste cu granele slab dezvoltate.

Se cunosc în prezent peste 100 de genuri de mono- şi de dicotiledonate ce aparţin tipului C4 ,

(planta tip trestia de zahăr). Acest tip de fixare şi reducere a CO2 este întâlnit la specii care cresc în

deşerturile aride şi în pădurile tropicale umede şi umbroase, deci în condiţii ce nu favorizează

desfăşurarea fotosintezei la nivel normal. Aceste plante sunt totuşi capabile de o asimilaţie a carbonului

foarte intensă, deoarece acidul fosfoenol piruvic (PEP) pe care se fixează CO2 în celulele mezofilului,

în prima etapă a reacţiilor de întuneric, este mult mai reactiv cu CO2 decât ribulozo -1,5 - difosfatul (Ru

DP) format, ca prim produs de sinteză, în frunzele plantelor aparţinând tipului C3. Aceasta face ca în

spaţiile intercelulare ale frunzelor de tip C4 concentraţia CO2 să fie foarte mică, fapt ce favorizează o

difuziune intensă a CO2 din atmosferă, prin ostiolele stomatelor extrem de puţin deschise, în spaţiile

intercelulare. Ca rezultat al acestei adaptări în regiunile aride, unde lipsa de apă limitează fotosinteza,

plantele de tip C4 pot desfăşura o fotosinteză intensă chiar în cazul unor temperaturi ridicate, fără să

rişte deshidratări fatale. De asemenea, în zonele tropicale şi ecuatoriale, cu vegetaţie luxuriantă, această

adaptare le permite să utilizeze în procesul de fotosinteză mici cantităţi de CO2 existente în aerul din

jurul plantelor, care formează desişuri masive.

Multe plante suculente din familiile Crassulaceae, Cactaceae, Liliaceae etc. fixează în timpul

nopţii cantităţi mari de CO2 pe acidul fosfoenolpiruvic (PEP), cu formare de malat, ce se acumulează

în sucul vacuolar al celulelor asimilatoare. Vacuolele mari ale celulelor asimilatoare servesc, deci, în

acest caz, nu numai pentru acumularea şi reţinerea apei, ci şi ca rezervoare de CO2 , necesar în

activitatea fotosintetică.

40

Separarea în timp a proceselor care conduc la acumularea CO2 în timpul nopţii şi la utilizarea

lui în fotosinteză în cursul perioadei de lumină a zilei prezintă un deosebit avantaj pentru plantele

suculente care, trăind în locuri secetoase, îşi asigură prin aceste mecanisme o bună aprovizionare cu

CO2, fără a risca pierderi din conţinutul de apă, întrucât acestea au stomatele deschise la minimum în

timpul perioadei de lumină a zilei. Plantele cu acest mecanism de fixare a CO2 se numesc plante de tip

C.A.M. (crassulacean acid metabolism, planta tip ananasul).

Din punct de vedere anatomic o frunză de Crassula de exemplu prezintă un mezofil omogen.

Celulele de la exterior (de sub epiderme) prezintă un număr mai mare de cloroplaste, comparativ cu

cele din centrul frunzei, structura acestor frunze fiind, în general, mult mai apropiată de aceea a

plantelor de tip C3, structura lor ne prezentând nici un dimorfism celular sau cloroplastic. În apropierea

fasciculelor conducătoare din mezofilul acestor frunze se găsesc celule cu granule de amidon, dar nu

există o teacă asimilatoare perifasciculară.

Ca adaptări structurale pentru factorul apă frunzele de la speciile din familia Crassulaceae

prezintă o textură cărnoasă, ce favorizează reţinerea apei în ţesuturi şi reduce viteza schimburilor

gazoase.

Separarea în timp între perioada nocturnă, favorabilă absorbţiei intense a CO2 şi aceea din

timpul zilei, când are loc formarea puterii reducătoare a CO2, contribuie la reglarea randamentului

fotosintetic, ceea ce permite acestor plante să supravieţuiască în condiţiile secetei din mediul lor de

viaţă.

Diferenţa dintre tipurile fotosintetice HATCH – SLACK - KORTSCHAK şi C.A.M. constă în

aceea că la primele reacţiile biochimice sunt separate spaţial, având loc în celule aparţinând la ţesuturi

diferite (mezofil şi teaca fasciculară asimilatoare), pe când la ultimele aceste reacţii sunt separate în

timp (ziua şi noaptea), desfăşurându-se în aceleaşi celule.

În natură există puţine situaţii ecologice şi geografice strict specifice pentru o anumită cale

fotosintetică.

Plantele de tip C4 şi CAM prezintă un înalt grad de halofilie şi rezistenţă la secetă. S-a emis

chiar ipoteza conform căreia ciclul C4 ar constitui o modificare a ciclului C3, ca un răspuns al plantelor

la presiunea selectivă a mediului xerofitic sau salin, iar carboxilarea acidului fosfoenolpiruvic (PEP),

prin acumularea acidităţii pe care o produce, ar avea la origine o adaptare faţă de neutralizare a

cationilor minerali de către anionii organici.

41

Plantele de tip C4 necesită ioni de Na+

pentru desfăşurarea normală a metaboismului lor. În lipsa

Na+ apar necroze şi cloroze speifice, în timp ce acest cation nu este absolut necesar plantelor de tip C3.

Balanţa între tipul C3 şi tipul C4 poate fi influenţată, de asemenea, de vârsta frunzelor sau de nutriţia

minerală, în special de ionii de Na+, aportul acestora favorizând trecerea la tipul C4 sau la tipul CAM.

Astfel, dacă se suprimă NaCl din mediul de cultură, specia Mesembryanthemum crystallinum, de tip

CAM, tinde să devină de tip C3.

Pentru plantele de tip CAM (Agave americana sau speciile de Opuntia) regimul hidric, asociat

cu temperatura şi fotoperioada sunt hotărâtoare în reglarea metabolismului. Astfel, pentru Opuntia,

după căderea ploii, când filocladiile au un potenţial hidric ridicat, fixarea nocturnă a CO2 este maximă,

prin formarea acidului malic. În timpul zilei stomatele lor sunt închise şi totuşi plantele asimilează

CO2, luându-l din decarboxilarea acizilor dicarboxilici acumulaţi în vacuole, utilizând calea C4. Această

caracteristică reprezintă o adaptare remarcabilă a respectivelor plante, ce le permite să-şi închidă

stomatele în timpul zilei, fără a-şi opri procesul de fotosinteză, pe când la plantele de tip C3 orice

închidere a stomatelor în timpul zilei reduce serios fixarea CO2 şi, deci, fotosinteza. Aceste strategii la

care recurg plantele arată corelaţii ecofiziologice dintre cele mai uimitoare: plantele de tip CAM sunt

esenţial legate de mediile aride, în vreme ce plantele de tip C4 sunt mult mai frecvente în ecosistemele

semi-aride de latitudini joase, iar plantele de tip C3 predomină în zonele temperate şi nordice de

latitudini mai ridicate.

FACTORII DE MEDIU CARE INFLUENŢEAZĂ PROCESUL DE FOTOSINTEZĂ

a. Factorii externi

●Lumina. Frunzele plantelor nu utilizează toată energia luminii care cade pe suprafaţa lor:

20% din aceasta este reflectată şi se risipeşte în spaţiu, iar 10% străbate frunzele, fără a fi absorbită.

Deci, din lumina care cade pe suprafaţa frunzelor acestea absorb 70%, din care utilizează în

fotosinteză numai aproximativ 1%. Din fracţiunea absorbită 20% ridică temperatura frunzelor cu

circa 1-20

C peste valoarea temperaturii mediului ambiant, iar restul de 49% este eliminată din

frunze prin fenomenul de transpiraţie. Aceste valori prezintă o serie de variaţii ce depind de

structura plantelor (de exemplu cuticula netedă şi lucioasă la unele specii sau mată la altele, care

influenţează procentajul de lumină reflectată ori grosimea frunzelor şi cantitatea de pigmenţi

asimilatori, ce influenţează cantitatea de radiaţii care străbat frunzele).

În afară de faptul că intervine în declanşarea proceselor care duc la mărirea gradului de

deschidere a stomatelor (favorizând difuziunea O2 şi a CO2 din și, respectiv, în mezofil) lumina

intervine în fotosinteză prin intensitate, calitate şi prin acţiunea manifestată asupra procesului de

respiraţie foliară la unele specii.

42

• În funcţie de intensitatea luminii incidente fotosinteza are loc în mod diferit: la plantele

heliofile acesta creşte în intensitate până la 50-60% din intensitatea maximă a luminii solare directe

care poate atinge, în zilele senine de vară, 100.000 lucşi. La plantele sciafile intensitatea fotosintezei

creşte odată cu mărirea intensităţi iluminării doar până la aproximativ 10% din intensitatea maximă

a luminii solare directe, după care, la iluminări mai mari, aceasta scade.

• Lumina influenţează fotosinteza şi prin compoziţie, (lungimea de undă a radiaţiilor

incidente pe frunze). Mersul fotosintezei în radiaţiile monocromatice depinde de garnitura de

pigmenţi asimilatori de care dispun diferite grupe de plante şi de însuşirile acestor pigmenţi de a

absorbi diferite radiaţii ale spectrului vizibil.

La plantele superioare şi la algele verzi fotosinteza decurge cu o intensitate mai mare în

radiaţiile albastre-violet şi în cele roşii, spectrul de acţiune urmând spectrul de absorbţie al luminii

de către pigmenţii asimilatori. La algele brune fotosinteza are loc aproape cu aceeaşi intensitate în

radiaţiile verzi şi în cele albastre datorită prezenţei fucoxantinei, care absoarbe radiaţiile verzi. La

algele roşii fotosinteza decurge cu intensitate maximă în lungimile de undă din zona mijlocie a

spectrului vizibil, ca urmare a faptului că ficoeritrina are absorbţie maximă în acest domeniu.

În cursul evoluţiei plantele s-au adaptat în sensul elaborării unor pigmenţi care să le

permită absorbţia în condiţii optime a acelor radiaţii luminoase care există în mediul lor natural de

viaţă. Acest fapt este deosebit de evident în repartiţia algelor pe adâncime în apă: în mediul acvatic

diferitele radiaţii ale spectrului solar pătrund cu atât mai la adânc cu cât lungimea lor de undă este

mai mică: radiaţiile roşii pătrund până la adâncimi mult mai mici (maxim 34 m), comparativ cu cele

albastre (500m). Ca urmare, algele verzi predomină în zona superficială a apelor, iar la adâncimi

mai mari predomină algele brune şi roşii, ce posedă pigmenţi accesorii, capabili să absoarbă

radiaţiile de lumină ajunse în aceste zone.

●Temperatura. În mersul intensităţii fotosintezei în funcţie de temperatură se pot distinge: o

temperatură minimă - temperatura cea mai joasă la care procesul începe să se manifeste; o

temperatură optimă - temperatura la care procesul decurge cu intensitatea cea mai mare şi constantă

în timp; o temperatură maximă - temperatura cea mai ridicată la care procesul mai poate avea loc.

Procesul de fotosinteză începe, în general, la o temperatură uşor inferioară valorii de 00C, creşte în

intensitate odată cu ridicarea temperaturii, atingând la unele specii valoarea maximă la 30-400C după

care, prin mărirea, în continuare, a temperaturii, acesta descreşte rapid, încetinind în jurul

temperaturii de 500C.

Ca limită inferioară a temperaturii la care fotosinteza mai are loc, poate fi discutat cazul

plantelor cu frunze persistente în timpul iernii, la care procesul are loc la temperaturi mult mai

coborâte: - 60C (molid) ori numai -2

0C (grâul de toamnă).

43

Temperatura optimă a fotosintezei, strâns legată cu condiţiile de iluminare şi cu concentraţia

CO2 din mediu variază, în general, la plantele mezoterme, caracteristice regiunilor noastre, între 20-

300C.

Limita maximă a temperaturii la care procesul de fotosinteză se mai produce este situată, la

plantele din regiunile noastre, la valori sub 45-500C, iar la plantele din regiunile sudice la valori de

50-550C.

b. Factorii interni

● Gradul de hidratare al ţesuturilor asimilatoare. La frunzele plantelor superioare terestre

fotosinteza scade destul de repede în intensitate odată cu creşterea deficitului de apă al frunzelor; în

acelaşi timp existenţa unei cantităţi mai mari de apă în ţesuturile foliare duce la o scădere uşoară a

procesului, probabil din cauza reducerii spaţiilor intercelulare, ca urmare a saturării celulelor cu apă,

fapt ce duce la o micşorare a difuziunii gazelor implicate. La deficite de apă mai mari de 13%

procesul se reduce progresiv şi încetează la un deficit de apă cuprins între 40-50%.

● Cantitatea de asimilate. Pentru ca fotosinteza să decurgă cu o intensitate normală este

necesar ca produşii rezultaţi să fie transportaţi rapid din celulele asimilatoare în celelalte părţi ale

corpului plantelor, unde vor fi utilizaţi în diferite sinteze sau vor fi puşi în rezervă.

La plantele amilofile, înspre amiază, cloroplastele se încarcă cu cantităţi mari de amidon, fapt

ce deranjează desfăşurarea intensă a fotosintezei, procesul sporind din nou ca intensitate abia în

timpul după amiezii, după ce o parte din amidonul acumulat anterior, printr-o fotosinteză activă, va

fi fost transportat din frunze.

● Cantitatea de pigmenţi asimilatori. În mod obişnuit pigmenţii asimilatori se găsesc în

exces în celulele asimilatoare. Această cantitate devine un factor limitant doar în cazurile de etiolare

a plantelor, fenomen produs de lipsa luminii, care se soldează, la unele plante, cu reducerea

substanţială a cantităţii de pigmenţi în celulele asimilatoare.

IV. FUNDAMENTELE MORFO-STRUCTURALE ȘI EMBRIONARE ALE

SISTEMULUI NERVOS UMAN: ȚESUTUL ȘI ORGANELE NERVOASE1

Sistemul nervos coordonează activitatea celorlalte sisteme şi a organismului ca întreg,

monitorizând modificările din mediul intern şi extern al corpului. La nivelul centrilor de integrare

procesează şi interpretează informaţiile preluate şi apoi determină răspunsuri adecvate din partea

1 Pentru ilustrarea structurilor descrise să se consulte bibliografia recomandată

44

organele efectoare (muşchi, glande). Din punct de vedere anatomic, sistemul nervos include o

componentă centrală (sistemul nervos central=SNC) şi alta periferică (sistemul nervos

periferic=SNP). Organele sistemului nervos, atât cele ale componentei centrale (encefal şi măduva

spinării), cât şi periferice (ganglioni nervoşi şi nervi), sunt constituite din ţesut nervos şi o cantitate

redusă de ţesut conjunctiv.

A. Ţesutul nervos

Ţesutul nervos are în structura sa două tipuri de celule: neuroni şi celule gliale (neuroglii).

Neuronul. Neuronul este o celulă înalt specializată, ale cărei caracteristici de bază sunt

excitabilitatea (reacţia specifică la modificările mediului) şi conductibilitatea (abilitatea de a

conduce informaţii prin intermediul unei secvenţe de reacţii electrochimice). Neuronii sunt celule

microscopice, unii însă pot avea prelungiri lungi, de până la 1 m (de exemplu, axonii neuronilor

motori din regiunea lombară a măduvei spinării care asigură inervarea musculaturii membrului

inferior). Un neuron tipic are în alcătuirea sa un corp celular şi prelungiri protoplasmatice (dendrite

şi axon).

Corpul celular (pericarion, soma) constituie centrul trofic şi de recepţie al neuronului. Este

delimitat de membrana plasmatică şi conţine nucleul, citoplasma cu organitele comune (reticul

endoplasmatic rugos, ribozomi liberi, aparat Golgi, mitocondrii, incluziuni de glicogen, lipide) şi

cele specifice (corpusculi Nissl – condensări de reticul endoplasmatic rugos şi ribozomi liberi;

elemente citoscheletice neuronale – neurofilamente şi neurotubuli; granule de pigmenţi –

lipofuscină, pigment galben-brun).

Dendritele sunt prelungiri scurte şi ramificate, prezente la cei mai mulţi neuroni. Ele măresc

suprafaţa receptoare a celulei. Dendritele sunt delimitate de membrană plasmatică, iar citoplasma

conţinută este asemănătoare cu cea din corpul celular, lipsind doar elementele Golgi.

Axonul, prelungirea unică a neuronului, porneşte de la corpul celular printr-o zonă numită

con de emergenţă (lipsit de corpusculi Nissl) şi se ramifică la capătul distal, structura rezultată

numindu-se telodendrium. Fiecare ramificaţie se prelungeşte cu un buton terminal ce conţine, în

principal, mitocondrii şi vezicule sinaptice. Ansamblul constituit din membrana plasmatică a

axonului (axolemă) şi citoplasma acestuia (axoplasmă), care conţine neurotubuli, neurofibrile,

mitocondrii şi reticul endoplasmatic rugos, poartă denumirea de cilindrax.

La unii neuroni (cei groşi, care conduc rapid impulsul nervos), axolema este acoperită

(cu excepţia porţiunii iniţiale şi a celei terminale) de o teacă de natură lipoproteică numită mielină,

fibrele fiind albe, strălucitoare. Mielina acţionează ca un izolator, permiţând conducerea impulsului

nervos cu o viteză mai mare fără scurgere de excitaţii spre neuronii învecinaţi. Teaca de mielină este

întreruptă la anumite intervale, discontinuităţile fiind numite constricţii (noduri) Ranvier. Pe baza

45

prezenţei sau absenţei mielinei se diferenţiază aspectul materiei nervoase: substanţa cenuşie,

respectiv, substanţa albă. In sistemul nervos periferic, fibrele nervoase (axonii), atât cele mielinizate

cât şi cele nemielinizate, sunt învelite de o pătură de celule Schwann (teaca Schwann) care formează

teaca de mielină în cazul primului tip de fibre. La nivelul sistemului nervos central, teaca de mielină

este formată de oligodendroglii.

Neuronii sunt dispuşi într-o reţea integrată, contactele interneuronale numindu-se sinapse.

Sinapsele imprimă polaritatea dinamică a neuronului, fluxul de informaţii trecând într-o singură

direcţie: dendrite corp axon.

După caracteristicile prelungirilor, se deosebesc mai multe tipuri de neuroni: unipolari, mai

rari, doar cu o prelungire de tip axonic, corpul celular recepţionând stimulii (de exemplu, celulele

amacrine din retină); pseudounipolari, cu un corp celular şi numai o singură prelungire care se

bifurcă, ramurile orientându-se în direcţii opuse, una de tip dendrită cu capătul distal specializat

pentru recepţia stimulilor, iar cealaltă de tip axon (neuronii din ganglionii cranieni sau spinali);

bipolari, cu o singură dendrită şi un axon (neuronii din mucoasa olfactivă, neuronii bipolari

retinieni); multipolari, cu mai multe prelungiri dendritice şi un axon (de exemplu, neuronii din

coarnele anterioare ale măduvei spinării sau celulele piramidale Betz din scoarţa cerebrală).

Celulele gliale (nevroglii). Nevrogliile sunt celule specializate pentru a îndeplini diferite

funcţii în cadrul sistemului nervos: susţin şi hrănesc neuronii, asigură „curăţenia” ţesutului, sunt

implicate în procese de regenerare, degenerare, în producerea mielinei, inactivarea

neurotransmiţătorilor. După cum le indică şi numele (glia = încleiere), ele îmbină elementele ţesutul

nervos într-un tot unitar.

Nevrogliile din sistemul nervos central (SNC). Sistemul nervos central are un număr mare de

nevroglii, aproximativ 10 pentru un neuron. Există mai multe tipuri de celule gliale: astrocitele, cele

mai abundente dintre nevroglii, cu formă de stea datorită prelungirilor numeroase ce prezintă

terminaţii bulboase aplicate o parte la neuroni, iar altele la capilare, realizându-se prin intermediul

lor schimbul de substanţe; microgliile, macrofagele sistemului nervos central, cele mai mici şi mai

puţin abundente dintre celulele gliale, constituind „detaşamentul de curăţenie”; oligodendrogliile, cu

prelungiri mai reduse ca număr, producătoarele tecii de mielină în sistemul nervos central; celulele

ependimale, tip special de neuroglii ce căptuşesc ventriculele encefalului şi canalul ependimal al

măduvei spinării, fără prelungiri, cu aspect epitelial.

Nevrogliile din sistemul nervos periferic (SNP). În sistemul nervos periferic, se găsesc două

tipuri de nevroglii: celule Schwann (neurolemocite), care produc mielina; celule satelit, care

înconjoară corpii neuronali din ganglionii nervoşi.

46

B. Sistemul nervos central

În cadrul sistemului nervos central este diferenţiată o parte activă de materie nervoasă,

numită substanţă cenuşie (constituită din corpi neuronali, dendrite şi axoni scurţi nemielinizaţi,

precum şi celule gliale), şi o parte pasivă, de conducere, numită substanţa albă, constituită prin

gruparea fibrelor axonice, în cea mai mare parte mielinizate, plus celule gliale. Componentele

sistemului nervos central (encefalul şi măduva spinării) sunt protejate de un sistem de membrane

numit meninge. Meningele (atât cel cranial, care protejează encefalul, cât şi cel spinal, care

protejează măduva spinării) este constituit din trei membrane: duramater (membrana durală) – foiţa

externă conjunctiv fibroasă; arahnoida – foiţa mijlocie, cu aspect filamentos (pânză de păianjen);

piamater – foiţa internă, delicată, formată din ţesut conjunctiv puternic vascularizat. Între duramater

şi arahnoidă este spaţiul subdural, între arahnoidă şi piamater se află spaţiul subarahnoidian prin care

circulă lichid cefalorahidian.

Măduva spinării. Măduva spinării este adăpostită în canalul coloanei vertebrale. La adult

măduva spinării măsoară circa 45 cm lungime şi se întinde din dreptul primei vertebre cervicale

până la nivel lombar (în dreptul vertebrelor L1-L2). Măduva spinării prezintă cinci regiuni: cervicală

(C), toracică (T), lombară (L), sacrală (S) şi coccigiană (Cc). Fiecare regiune este organizată în

segmente (în total 31 segmente medulare): C1-C8, T1-T12, L1-L5, S1-S5, Cc1. Fiecărui segment

medular îi corespunde câte o pereche de nervi spinali. Segmentele medulare asigură activitatea

metamerică (segmentară) care însă la om, ca şi la restul mamiferelor, este mult redusă, dominantă

fiind activitatea plurisegmentară şi cea coordonată de encefal.

Morfologie. Măduva spinării are forma unui cordon cilindric neuniform calibrat. Două

dilatări (intumescenţe) pot fi identificate pe traseul măduvei: una cervicală şi alta lombară,

corespunzătoare funcţional celor două perechi de membre (superioare şi inferioare). Inferior,

măduva spinării se termină printr-un con medular, iar nervii porniţi de la acest nivel constituie aşa

numita coadă de cal. De la capătul conului medular porneşte un fir subţire de ţesut conjunctiv, numit

filum terminale, constituit din prelungirea foiţelor duramater şi arahnoidă până la nivelul sacral al

coloanei vertebrale (S2). De aici, filum terminale se continuă cu ligamentul coccigian, prin

intermediul căruia se realizează ancorarea măduvei spinării de coloana vertebrală. Faţa posterioară a

măduvei are longitudinal, pe linia medială, un şanţ median posterior. De asemenea, pe faţa

anterioară a măduvei există un şanţ mai larg, numit fisură mediană anterioară.

Structură. La nivelul unei secţiuni transversale realizate prin măduva spinării pot fi

evidenţiate elementele de structură. Măduva spinării este străbătută longitudinal, prin centrul său, de

47

un canal central (ependimal) care conţine lichid cefalorahidian. Substanţa cenuşie este dispusă spre

interiorul măduvei, iar substanţa albă spre periferie.

Substanţa cenuşie apare organizată pe secţiune transversală sub forma literei H, prezentând

trei perechi de coarne: anterioare, posterioare şi laterale (corespund unor coloane dispuse în lungul

măduvei spinării). Corpii neuronilor din substanţa cenuşie sunt grupaţi în nuclei. Coarnele anterioare

conţin în principal nuclei (centri) somatomotori, dar şi visceromotori spre bază, iar cele posterioare

nuclei (centri) somatosenzitivi şi viscerosenzitivi. Coarnele laterale, prezente doar în segmentele

medulare toracice şi în primele lombare, conţin nuclei vegetativi. Nucleii senzitivi conţin

interneuroni ce primesc impulsuri de la neuronii somato- şi viscerosenzitivi originari din ganglionii

spinali, iar în nucleii motori se găsesc neuroni somato- şi visceromotori. Nucleii (centrii) medulari

pot fi segmentari (cu localizare strictă la nivelul unui segment) sau plurisegmentari (cuprinzând mai

multe segmente succesive medulare).

Substanţa albă conţine numeroşi axoni, în mare parte mielinizaţi, organizaţi în tractusuri

(fascicule), iar acestea din urmă în cordoane. Fasciculele conţin fibre de acelaşi tip (de exemplu,

fasciculul rubrospinal). Cordoanele, denumite după poziţia lor, anterioare, posterioare şi laterale,

conţin fiecare mai multe fascicule. Fibrele nervoase din substanţa albă pot fi grupate, conform

traseului, în: fibre comisurale (trec dintr-o parte în alta a măduvei spinării), de asociaţie (leagă mai

multe segmente medulare între ele constituind, în principal, fasciculele fundamentale dispuse de jur

împrejurul substanţei cenuşii) şi de proiecţie (leagă măduva spinării de encefal). Fibrele de proiecţie,

ascendente (senzitive) şi descendente (motorii) constituie cea mai mare parte a cordoanelor de

substanţă albă.

Encefalul. Encefalul (creierul) cuprinde, din punct de vedere al diferenţierii embrionare,

cinci segmente, fiecare având anumite structuri nervoase, după cum reiese din tabelul 1. Din punct

de vedere morfologic, encefalul include telencefalul (emisferele cerebrale), diencefalul, cerebelul şi

trunchiul cerebral. În interiorul encefalului se găsesc patru camere numite ventricule, pline cu lichid

cefalorahidian, care are rol de protecţie şi nutriţie pentru sistemul nervos central. Ventriculele sunt

expansiuni ale unei cavităţi encefalice, iniţial centrală, care au păstrat comunicarea între ele. Primele

două ventricule (I şi II), numite şi ventricule laterale, se găsesc la nivelul emisferelor cerebrale, al

treilea ventricul se află în diencefal, iar al patrulea (numit şi rombencefalic) corespunde

metencefalului şi mielencefalului. Între ventriculele III şi IV se întinde, de-a lungul mezencefalului,

apeductul cerebral (Sylvius). Ventricului IV se continuă inferior cu canalul central al măduvei

spinării şi mai prezintă în peretele său trei orificii (unul median şi două laterale) de comunicare cu

spaţiul subarahnoidian, prin care circulă şi lichidul cefalorahidian între cele două tipuri de

compartimente (ventricule şi spaţiul subarahnoidian). În interiorul ventriculelor pot fi indentificate

48

structuri numite plexuri coroide, la nivelul cărora este secretată cea mai mare parte a lichidului

cefalorahidian. Plexul coroid, constituit dintr-un strat de celule ependimale însoţit de foiţa piamater,

este puternic vascularizat.

Tabelul 6.4. Componente ale encefalului.

Segment encefalic Structuri

dorsale laterale ventrale

telencefal palium palium palium + subpalium

diencefal epitalamus talamus + metatalamus hipotalamus

mezencefal tuberculi cvadrigemeni - pedunculi cerebrali

metencefal cerebel - puntea lui Varolio

mielencefal ventricul IV - piramide bulbare

Emisferele cerebrale. Telencefalul sau creierul mare este partea cea mai dezvoltată din

encefalul uman, constituind circa 85% din masa lui totală şi acoperind diencefalul precum şi partea

dorsală a mezencefalului. Telencefalul este reprezentat de două emisfere cerebrale, în structura

cărora se află paliumul şi regiunea subpaleală. Paliumul reprezintă mantaua emisferelor, constituită

din substanţă cenuşie exterioară (scoarţă cerebrală sau cortex cerebral) şi substanţă albă spre interior.

Subpalium este reprezentat de septum pellucidum şi corpi striaţi. Septum pellucidum este o foiţă

subţire de substanţă cenuşie situată la nivelul peretelui median al fiecărui ventricul lateral. Corpii

striaţi, numiţi şi nuclei bazali, sunt perechi de mase de substanţă cenuşie situate în interiorul

emisferelor cerebrale, separate între ele prin lame de substanţă albă.

Cele două emisfere cerebrale sunt separate între ele printr-un şant (fisură) interemisferic, iar

legătura lor medială se realizează la nivelul hilurilor prin intermediul unor comisuri: comisura

corpului calos (cea mai mare dintre comisuri), comisura albă anterioară. Fiecare emisferă cerebrală

prezintă trei feţe: superolaterală (externă), medială (internă) şi bazală (inferioară). Suprafaţa

emisferelor cerebrale este brăzdată de numeroase şanţuri, unele mai adânci, altele superficiale.

Şanţurile mai profunde, numite şi sulci sau scizuri, delimitează teritorii numite lobi. Pe faţa externă a

emisferei cerebrale apar patru lobi (frontal, parietal, temporal şi occipital) delimitaţi de: sulcus

central (scizura Rolando), sulcus parieto-occipital (scizura perpendiculară), sulcus lateral (scizura

Sylvius). Un al cincilea lob al emisferei cerebrale, cel al insulei, se află în profunzimea scizurii

Sylvius, fiind acoperit de părţi ale lobilor temporal, parietal şi frontal. Pe faţa internă a emisferei

poate fi observată, la nivelul lobului occipital, scizura calcarină. La nivelul fiecărui lob, şanţuri mai

superficiale delimitează teritorii mai restrânse numite giri (circumvoluţiuni), ca de exemplu

precentral, postcentral, cingulat, parahipocampic. O parte din palium se răsfrânge în interiorul

ventriculului lateral rezultând aşa numitul hipocamp sau cornul lui Ammon.

Paliumul are diferenţiate trei zone: arhepaliumul, paleopaliumul şi neopaliumul. Primele

două sunt mai vechi din punct de vedere filogenetic, cu o slabă dezvoltare la om, scoarţa cerebrală

49

având în structura sa, la acest nivel, doar două straturi (motor şi senzitiv). Cea de a treia zonă,

neopaliumul, este puternic dezvoltată, scoarţa cerebrală fiind aici constituită din şase straturi

(molecular, granular extern, piramidal extern, granular intern, piramidal intern, polimorf).

Arhepaliumul este reprezentat de două teritorii nervoase: supracalos (indusium griseum, nervii

Lancisi) şi subcalos (hippocampul, fascia cinerea). Paleopaliumul cuprinde aria piriformă (cortexul

olfactiv), tractusul şi bulbul olfactiv. Neopaliumul atinge apogeul dezvoltării sale la om,

reprezentând cea mai mare parte a emisferelor cerebrale. La nivelul scoarţei cerebrale sunt

indentificate trei tipuri de arii funcţionale: senzitive, motorii şi de asociaţie.

Substanţa albă este constituită din fibre care pot fi grupate în trei categorii: de proiecţie, de

asociaţie şi comisurale. Fibrele de proiecţie leagă scoarţa cerebrală de celelalte segmente ale SNC,

unele fiind aferente (fibre talamo-corticale) şi altele eferente (fibre cortico-talamice, cortico-

nucleare, cortico-pontine, cortico-spinale). Fibrele de proiecţie formează un mănunchi compact

numit capsula internă, care trece printre talamus şi unii din nucleii bazali. Superior capsulei interne,

fibrele de proiecţie merg spre/de la cortexul cerebral constituind coroana radiată. Fibrele de asociaţie

leagă diferite regiuni ale aceleiaşi emisfere: fibre scurte de asociaţie leagă între ele arii corticale

învecinate, iar fibre lungi de asociaţie conectează între ei diferiţi lobi corticali. Fibrele comisurale

leagă părţi simetrice ale cortexului din cele două emisfere, constituind comisuri cerebrale: comisura

corpului calos, cea mai mare, de forma unei bolţi dorsale; comisura albă anterioară, ventrală;

comisura trigonului cerebral, leagă între ele cele două hipocampus-uri.

Trigonul cerebral este o formaţiune de substanţă albă complexă, dispusă între corpul calos şi

talamus, compusă din două lame de substanţă albă asociative (fornix) şi comisura trigonului, numită

şi psalterium, situată între porţiunele posterioare ale fornixului. Fornixul realizează anterior legătura

cu corpii mamilari, iar posterior conduce spre hippocampus.

Corpii striaţi sunt mase ovoide de substanţă cenuşie, plasate pe partea ventrală a

telencefalului. Aspectul striat este determinat de prezenţa, între corpii striaţi, a unor lame de

substanţă albă. Există mai multe perechi de nuclei bazali: nucleul caudat, de forma unei virgule (cu

cap, corp şi coadă); nucleul lenticular, împărţit prin lame de substanţă albă în două părţi mediale

(globus pallidus) şi una laterală (putamen); nucleul claustrum, de forma unei lame subţiri; nucleul

amigdalian (amigdala), dispus mult mai anterior şi mai ventral faţă de ceilalţi.

Sistemul limbic cuprinde un grup de structuri localizate pe faţa medială a emisferelor

cerebrale, incluzând totodată şi parte din diencefal (hipotalamusul şi nucleii anteriori talamici).

Structurile telencefalice ce fac parte din sistemul limbic sunt: nucleii septali, girusul cingulat,

hipocampul, girusul parahipocampic şi parte din nucleul amigdalian. Sistemul limbic este implicat,

50

prin structurile sale, în reacţiile emoţionale (prin amigdală şi girusul cingulat), în consolidarea şi

restabilirea memoriei (prin amigdală, hipocamp şi girusul parahipocampic). Implicarea structurilor

diencefalice în funcţionarea sistemului limbic explică legătura stresului emoţional cu afecţiunile

viscerale, precum hipertensiunea arterială sau arsurile de stomac.

Diencefalul. Formaţiunile diencefalului sunt grupate în jurul ventriculului III.

Epitalamusul este o formaţiune nervoasă rudimentară, reprezentat de epifiză (glanda pineală)

şi trigonul habenular (conţine nucleii habenulari, legaţi de calea olfactivă).

Talamusul, releu important pentru căile senzitive (cu excepţia celei olfactive) şi important

centru vegetativ de reglare a vieţii afective şi psihice, este reprezentat de două corpuri ovoide situate

de o parte şi alta a ventriculului III, legate între ele printr-o comisură intertalamică. Fiecare corp

talamic conţine mai mulţi nuclei separaţi între ei de lame de substanţă albă. Există cinci grupuri

principale de nuclei: anterior, medial, ventral, posterior şi lateral. Nucleii anteriori fac parte fucţional

din sistemul limbic, fiind implicaţi în emoţii, memorie, învăţare. Grupul medial integrează informaţii

senzitive venite de la alţi centri talamici şi hipotalamici, pentru proiectarea lor în lobul frontal

cerebral. Nucleii ventrali proiectează informaţii senzitive în cortexul senzitiv primar, transmite

informaţii de la cerebel şi nucleii bazali spre ariile motorii ale cortexului cerebral. Nucleul posterior

(pulvinar) integrează informaţiile senzitive pentru proiecţie spre ariile de asociaţie ale cortexului

cerebral. Grupul lateral de nuclei face parte din circuitul feedback care mai include girusul cingulat

şi lobul parietal.

Subtalamusul este o zonă de tranziţie între talamus şi mezencefal, nucleii de la acest nivel

fiind implicaţi în coordonarea motorie.

Metatalamusul este reprezentat de două perechi de corpi geniculaţi: o pereche anterolaterală

care primeşte informaţii vizuale şi este legată de perechea anterioară a tuberculilor cvadrigemeni;

perechea posteromedială, legată de perechea posterioară a tuberculilor cvadrigemeni, primeşte

aferenţe auditive.

Hipotalamusul, principalul centru de control al organelor interne, este mărginit anterior de

chiasma optică, posterior de tuberculii mamilari, iar inferior prezintă un infundibul de care se leagă

hipofiza. Ca şi talamusul, conţine mai mulţi nuclei, care îndeplinesc diferite funcţii: nucleul

supraoptic şi cel paraventricular secretă hormoni (hormonal antidiuretic, respectiv oxitocina) care

sunt depozitaţi în lobul posterior al hipofizei; nucleul suprachiasmatic reglează ritmul circadian; aria

preoptică reglează temperatura corpului prin intermediul centrilor vegetativi din măduva spinării;

aria tuberală reglează activitatea secretorie a lobului anterior hipofizar; centrii simpatici şi

51

parasimpatici controlează ritmul cardiac şi presiunea sanguină prin intermediul centrilor vegetativi

din măduva spinării; corpii mamilari controlează reflexele de hrănire.

Cerebelul. Cerebelul, organul nervos de coordonare a mişcărilor, este compus din două

emisfere cerebeloase conectate între ele, medial, prin vermis. Suprafaţa cerebelului este brăzdată de

numeroase şanţuri, cele mai adânci fiind numite fisuri. Fiecare emisferă cerebeloasă prezintă câte

trei lobi: anterior, posterior şi cel floculonodular. Cerebelul are substanţa cenuşie diferenţiată în

scoarţă cerebeloasă, dispusă la exterior, şi nuclei cerebeloşi, în profunzime. Scoarţa cerebeloasă are

diferenţiate în structura sa trei straturi: molecular (extern), al celulelor Purkinje (mijlociu) şi granular

(intern). Nucleii cerebeloşi sunt dispuşi sub formă de perechi, după cum urmează: nucleul dinţat,

dispus lateral, este mare şi cu un contur pliat; nucleul acoperişului (fastigi) este situat în tavanul

ventriculului IV; nucleul emboliform este localizat pe partea mediană a nucleului dinţat; nucleul

globos este situat între ultimii doi nuclei menţionaţi.

Substanţa albă este reprezentată de fibre de proiecţie (leagă cerebelul de celelalte etaje ale

encefalului), fibre de asociaţie (leagă diferite porţiuni ale cerebelului între ele) şi fibre comisurale

(leagă structuri perechi din cele două emisfere cerebeloase). Fibrele de proiecţie aparţin celor trei

perechi de pedunculi cerebeloşi (Tabelul 2): inferiori (leagă cerebelul de bulb), mijlocii (leagă

cerebelul de punte) şi superiori (leagă cerebelul de mezencefal).

Tabelul 2. Fibre ale pedunculilor cerebeloşi.

Aferenţe Eferenţe

Peduncul cerebelos superior spino-cerebeloase indirecte (Gowers) cerebelo-rubrice

cerebelo-talamice

Peduncul cerebelos mijlociu ponto-cerebeloase

cerebelo-cerebeloase transpontine

Peduncul cerebelos inferior spino-cerebeloase directe (Flechsig)

olivo-cerebeloase

vestibulo-cerebeloase

cerebelo-vestibulare

cerebelo-olivare

Din punct de vedere funcţional, cerebelul prezină trei zone distincte: arhicerebelul,

paleocerebelul şi neocerebelul. Arhicerebelul, reprezentat de lobul floculonodular, reprezintă un

centru de control al echilibrului, având conexiuni (aferenţe şi eferenţe) cu nucleii vestibulari şi, prin

intermediul acestora, cu măduva spinării pe de o parte, iar pe de altă parte cu nucleii nervilor

oculomotori. Paleocerebelul, cuprinzând lobul anterior şi nucleii fastigial, emboliform, globos, are

rol în reglarea tonusului muscular, fiind legat de sistemul sensibilităţii proprioceptive inconştiente

prin aferenţe spino-cerebeloase indirecte, olivocerebeloase şi eferenţe cerebelo-rubrice (continuate

de cele rubro-spinale). Neocerebelul, care cuprinde lobul posterior şi nucleul dinţat, controlează

52

motricitatea voluntară, fiind în relaţie cu cortexul cerebral prin fibre cortico-ponto-cerebeloase, fibre

cerebelo-rubrice continuate de fibre rubro-talamice.

Trunchiul cerebral. Mezencefalul, puntea şi bulbul rahidian constituie o unitate anatomică

numită trunchiul cerebral, care continuă superior măduva spinării. Organizarea internă a truchiului

cerebral se aseamănă cu cea medulară prin: succesiunea nucleilor nervilor cranieni, reţeaua

neuronilor de asociaţie, trecerea marilor căi senzitivo-motorii. Nucleii a zece perechi de nervi

cranieni (III-XII) aparţin trunchiului cerebral. Formaţiunea reticulară ocupă pe toată lungimea

trunchiului cerebral un spaţiu neregulat, încadrat de marile căi de proiecţie, de nucleii nervilor

cranieni, de pedunculii cerebrali precum şi de reţelele cerebeloase. Ea este formată dintr-un

ansamblu de neuroni cu lungimi şi orientări diferite, ce formează în trunchiul cerebral o reţea cu

limite imprecise, mai condensată la nivel mezencefalic (nucleul roşu, substanţa neagră, ganglionul

interpeduncular). Neuronii reticulari formează trei coloane care se întind de-a lungul trunchiului

cerebral: nucleii rafeului (medial), grupul nuclear medial şi grupul nuclear lateral. Formaţiunea

reticulară menţine starea de vigilenţă a cortexului cerebral şi filtrează stimulii repetitivi; reglează

activitatea muşchilor viscerali şi scheletici. Marile căi de proiecţie ale trunchiului cerebral sunt

ascendente şi descendente. Căi ascendente: lemniscul medial, principala cale ascendentă, îşi are

originea în nucleii bulbari Goll şi Burdach, la care se adaugă fibre senzitive venite de la nucleii

nervilor cranieni V, VII şi X, toate având ca destinaţie talamusul; lemniscul lateral, constituit din

fibre acustico-vestibulare ce aparţin neuronilor acustico-vestibulari din trunchi; lemniscul spinal,

format din fibrele spino-talamice; fibrele spinocerebeloase directe şi indirecte. Căile descendente

piramidale ocupă circa două treimi ventrale din pedunculii cerebrali, punte şi în totalitate piramidele

bulbare anterioare. Fibrele acestor căi au origine corticală şi prezintă diferite destinaţii: nucleii

nervilor cranieni (fibre cortico-nucleare), punte (fibre cortico-pontine), măduva spinării (fibre

cortico-spinale). Mezencefalul cuprinde tuberculii cvadrigemeni, cu poziţie dorsală şi

pedunculii cerebrali, dispuşi ventral. Pe o secţiune transversală, apeductul lui Sylvius este reperul de

separare a celor două formaţiuni mezencefalice. Tuberculii cvadrigemeni sunt diferenţiaţi în două

perechi: anteriori şi posteriori. Tuberculii anteriori (superiori), mai voluminoşi, consideraţi ca având

scoarţă tectală, sunt centrii subcorticali ai văzului (realizează reflexe vizuale). Tuberculii posteriori

(inferiori), centrii subcorticali ai auzului, au o structură mai simplă: un centru de substanţă cenuşie şi

o zonă periferică de substanţă albă. Pedunculii cerebrali apar pe o secţiune transversală diferenţiaţi

în două zone (piciorul pedunculului şi tegmentumul), separate între ele de către substanţa neagră.

Piciorul pedunculului cerebral (pedunculul propriu-zis) conţine numai fibre piramidale, iar

tegmentumul mezencefalic (calota mezencefalică) are în structură nuclei, fascicule de substanţă albă

53

şi formaţiune reticulară condensată (nucleul roşu). Substanţa neagră, formă condensată de

formaţiune reticulară situată pe traiectul căilor motorii, intervine în reglarea tonusului muscular.

Puntea lui Varolio. În structura punţii apar două componente: puntea propriu-zisă şi calota

sau tegmentumul metencefalic. Puntea propriu-zisă, dispusă bazal (anterior) conţine în mare parte

substanţă albă cu două categorii de fibre: longitudinale (piramidale) şi transversale (ponto-

cerebeloase, cerebelocerebeloase transpontine), dar şi nuclei proprii pontini. Tegmentulul, dispus

dorsal (posterior), are în structura sa nuclei ai nervilor cranieni, fascicule de fibre nervoase şi

formaţiune reticulară.

Bulbul rahidian. Bulbul rahidian realizează legătura encefalului cu măduva spinării. De

forma unui trunchi de con, bulbul se aseamănă cu măduva spinării mai ales în partea sa inferioară.

El prezintă patru feţe: dorsală (posterioară), ventrală (anterioară) şi laterale. Pe faţa posterioară, de o

parte şi alta a unui şanţ mediodorsal, sunt fasciculele Goll (gracilis) şi Burdach (cuneatus). La

nivelul capătului superior al feţei dorsale bulbare se află partea inferioară a ventriculului IV. Faţa

anterioară, delimitată superior de un şanţ bulbopontin, are un şanţ median de o parte şi de alta a

căruia se găsesc piramidele bulbare anterioare (ventrale). Spre capătul inferior al şanţului median

anterior poate fi identificat locul în care se încrucişează o parte din fibrele piramidale, numit

decusaţia piramidală. Lateral faţă de piramidele bulbare, spre capătul superior al bulbului, sunt

olivele bulbare, fiecare mărginită de câte un şanţ preolivar (anterior) şi altul retroolivar (posterior).

Faţa laterală este delimitată anterior şi posterior de două şanţuri colaterale. Organizarea internă a

bulbului rahidian se aseamănă cu cea medulară: substanţa cenuşie dispusă la interior sub formă de

coloane nucleare lungi, fragmentate însă în bulb, iar substanţa albă spre periferie. Bulbul mai are în

structura sa şi substanţa reticulară.

C. Sistemul nervos periferic

Sistemul nervos periferic leagă sistemul nervos central de restul corpului. El este reprezentat

de nervi (rahidieni şi cranieni) şi ganglioni nervoşi, situaţi pe traiectul nervilor. Nervii sunt

constituiţi din prelungiri lungi ale neuronilor. În interiorul nervului, fiecare prelungire (fibră)

nervoasă, mielinizată sau nu, este înconjurată de celule Schwann, apoi de o foiţă subţire de ţesut

conjunctiv numită endoneurium (endonerv). Grupuri de fibre nervoase constituie fascicule nervoase,

delimitate de o foiţă conjunctivă numită perineurium (perinerv). Mai multe fascicule nervoase

constituie un nerv care, la rândul său, prezintă un înveliş conjunctiv numit epineurium (epinerv).

Ganglionii conţin corpi neuronali, celule gliale. Ganglionii nervoşi pot fi senzitivi sau motori. Cei

senzitivi conţin corpi ai neuronilor senzitivi (protoneuroni), somatici şi viscerali, iar cei motori

54

aparţin în exclusivitate sistemului nervos vegetativ, conţinând deutoneuronii căilor simpatice sau

parasimpatice.

Nervii rahidieni

La om există 31 perechi de nervi rahidieni (spinali) ataşate măduvei spinării: 8 perechi

cervicale, 12 toracice, 5 lombare, 5 sacrale şi una coccigiană. Nervul rahidian este alcătuit din:

rădăcini, trunchi şi ramuri. Fiecare nerv spinal are câte două rădăcini: una posterioară sau dorsală,

constituită din fibre senzitive sosite de la ganglionul spinal situat pe propriul traiect (ganglionul

rădăcinii dorsale), alta anterioară sau ventrală conţinând fibre motori plecate din cornul anterior de

substanţă cenuşie a măduvei spinării. Fiecare rădăcină se formează din mai multe „radicele” ataşate

de-a lungul întregului segment spinal corespunzător. Trunchiul este mixt, rezultând din unirea celor

două rădăcini corespunzătoare unui segment medular. Trunchiul nervului spinal trece spre exteriorul

coloanei vertebrale prin foramenul intervertebral din dreptul pedicelului arcului vertebral. Două

ramuri principale (dorsal şi ventral) se desprind din trunchi, lateral de foramenul intervertebral.

Ramul dorsal, subţire, mixt, inervează musculatura şi pielea din regiunea dorsală a trunchiului şi a

gâtului. Ramul ventral, mixt, inervează musculatura şi pielea din regiunea lateroventrală a

trunchiului şi membrele. De la baza ramului ventral se desprind alte două ramuri, mai subţiri, numite

viscerale sau comunicante, unul alb (constituit din fibre mielinizate), altul cenuşiu (cu fibre

nemielinizate). Ramurile ventrale ale nervilor spinali, cu excepţia ramurilor nervilor T2-T12,

formează plexuri nervoase: cervical (C1-C5), brahial (C5-T1), lombar (L1-L4), sacral (L4-S4),

coccigian (S5-Cc).

Plexul cervical provine din unirea ramurilor ventrale de la primii nervi cervicali, la care se

adaugă nervii cranieni XII (hipoglos) şi XI (spinal). Acest plex are două categorii de ramuri:

senzitive, superficiale, inervând pielea de pe partea laterală a gâtului, din regiunea occipitală şi a

pavilionului urechii; profunde, motorii, inervează muşchii gâtului (prevertebrali, scaleni şi laterali),

muşchii subhiodieni şi diafragmul (ramul ce constituie nervul frenic). Plexul brahial rezultă din

asocierea ramurilor ventrale de la ultimii nervi cervicali şi primul nerv toracic. El inervează pielea şi

muşchii membrului superior (inclusiv pe cei ai centurii scapulare), dar şi a unei părţi din regiunea

gâtului. Nervii toracici nu formează plexuri (cu excepţia primului şi ultimului), constituind nervii

intercostali care inervează pielea şi muşchii regiunii toracice şi abdominale. Plexul lombo-sacral

asigură sensibilitatea şi motricitatea membrului inferior, precum şi a regiunii abdomino-pelviene. La

formarea lui participă ramurile ventrale de la ultimul nerv toracic, nervii lombari şi primii patru

sacrali. Plexul are multiple ramuri: abdomino-genitale, cutanat femural, femural, obturator, fesiere,

55

marele sciatic ş.a. Plexul coccigian, constituit din ramurile ventrale ale ultimului nerv sacral şi

nervul coccigian, asigură inervaţia pielii şi ligamentelor din regiunea coccigiană.

Nervii cranieni. 12 perechi de nervi cranieni sunt ataşate de encefal, ieşind prin diferite

foramene ale craniului spre periferie. Cu excepţia nervului vag (X), care ajunge până la nivelul

abdomenului, nervii cranieni deservesc structurile capului şi ale gâtului. Nervii cranieni pot fi

grupaţi în: senzitivi, care conţin fibre somatosenzitive speciale pentru miros (olfactiv=I), văz

(optic=II), auz şi echilibru (acustico-vestibular=VIII); primar sau exclusiv motori, care conţin în

principal fibre somatomotorii generale pentru musculatura extrinsecă a ochiului (oculomotor

comun=III, trochlear=IV, oculomotor extern=VI) şi a limbii (hipoglos=XII); micşti (trigemen=V,

facial=VII, glosofaringian=IX, vag=X şi accesoriu=XI) – aceşti nervi asigură sensibilitatea generală

somatică şi viscerală a feţei, sensibilitatea viscerală specială (gustul), motilitatea muşchilor

branhiomerici (muşchii arcurilor faringiene), eferenţe parasimpatice.

Nervul olfactiv (I). Neuronii de origine ai acestui nerv sunt localizaţi periferic, în mucoasa

olfactivă. Axonii lor, nemielinizaţi, străbat lama ciuruită a etmoidului făcând sinapsă cu neuronii

mitrali din bulbul olfactiv telencefalic. Neuronii mitrali sinapsează apoi la nivelul trigonului olfactiv,

substanţa perforată anterioră. Proiecţia următoare se realizează în centrii olfactivi corticali.

Nervul optic (II). Nervul optic reprezintă de fapt un tractus al sistemului nervos central,

constituit din axonii celulelor multipolare din retină. Adevăratul nerv optic ar fi constituit din

prelungirile celulelor bipolare din retină, care fac sinapsă cu cele multipolare. Fasciculul optic

format din axonii celulelor multipolare traversează partea posterioară a orbitei, pătrunzând în craniu.

O parte din fibrele nervilor optici se încrucişează la nivelul chiasmei optice, care se continuă cu

bandeletele optice. Acestea din urmă conduc fibrele optice spre corpii geniculaţi anteriori, talamus,

perechea anterioară a tuberculilor cvadrigemeni, iar mai departe spre cortex.

Nervul oculomotor comun (III). Primar motor (predominant cu fibre somatice, dar şi cu

unele parasimpatice), acest nerv capătă şi câteva aferenţe proprioceptive. Cu nucleul de origine în

mezencefal, fibrele somato-motorii inervează patru dintre muşchii extrinseci ai globului ocular

(drepţii superior, inferior, intern şi oblicul inferior), precum şi muşchiul ridicător al pleoapei

superioare. Fibrele parasimpatice, provenite din nucleul Edinger-Westphald, inervează musculatura

intrinsecă a globului ocular (muşchii ciliari şi ai irisului). Aferenţele proprioceptive pornesc de la

aceiaşi patru muşchi extrinseci ai globului ocular.

Nervul trohlear sau patetic (IV). Primar motor, cu origine tot într-un nucleu mezencefalic,

inervează muşchiul oblic superior. Capătă însă şi aferenţe proprioceptive de la acelaşi muşchi

extrinsec al globului ocular.

56

Nervul trigemen (V). După cum îi indică şi numele, acest nerv prezintă trei ramuri (oftalmic,

maxilar şi mandibular), desprinse dintr-un mare ganglion, numit semilunar sau Gasser (ganglionul

de origine al aferenţelor). Ramul oftalmic, predominant somato-senzitiv, se ramifică pentru pielea

părţii anterioare a scalpului, a pleoapei superioare, a nasului, pentru mucoasa cavităţii nazale,

cornee. Ramul maxilar este în exclusivitate somato-senzitiv, aferenţele sale pornind de la nivelul

mucoasei nazale, bolta palatină, dinţii superiori, pielea obrazului, buza superioară, pleoapa

inferioară. Ramul mandibular este mixt. Fibrele sale somato-senzitive culeg impulsuri de la nivelul

limbii, dinţii inferiori, pielea bărbiei, a regiunii temporale a scalpului. Fibrele somato-motorii, cu

origine în nucleul pontin, inervează muşchii masticatori, muşchiul milohioidian, partea anterioară a

digastricului şi muşchiul tensor al timpanului (muşchiul ciocănelului). Aferenţele proprioceptive,

pornite de la aceiaşi muşchi, aparţin tot ramului mandibular al trigemenului.

Nervul oculomotor extern sau abducens (VI). Primar motor, cu origine în nucleu pontin,

inervează muşchiul drept extern. Capătă însă şi aferenţe proprioceptive de la acelaşi muşchi

extrinsec al globului ocular.

Nervul facial (VII). Facialul, principalul nerv motor al feţei, prezintă cinci ramuri majore:

temporal, zigomatic, bucal, mandibular şi cervical. Fibrele somato-motorii (origine în nucleu pontin)

inervează muşchii mimicii, muşchiul platisma, partea posterioară a digastricului şi muşchiul scăriţei.

Alături de ele se găsesc fibrele sensibilităţii proprioceptive pentru aceiaşi muşchi, cu origine în

ganglionul geniculat. Fibre parasimpatice asigură inervaţia glandelor salivare submaxilare şi

sublinguale, a glandei lacrimale şi a glandelor mucoase din cavitatea nazală, bucală şi faringiană.

Fibre viscero-senzitive, cu origine în ganglionul geniculat, culeg impulsuri de la mugurii gustativi

din 2/3 anterioare ale limbii. Există şi fibre somato-senzitive (origine tot în ganglionul geniculat)

care culeg informaţii din zona pavilionului urechii.

Nervul acustico-vestibular (VIII). Acest nerv are două componete: cohleară (auditivă) şi

vestibulară. Componenta auditivă conţine fibre (corpii acestor neuroni se găsesc în ganglionul Corti)

care preiau impulsurile de la receptorii auditivi din melcul urechii interne. Aceste aferenţe ajung în

nucleii cohleari din trunchiul cerebral iar, de aici, pe calea lemniscului lateral sunt transmise spre

perechea posterioară a tuberculilor cvadrigemeni, corpii geniculaţi posteriori, scoarţa cerebrală

(cortexul lobului temporal). Componenta vestibulară conţine fibre (originea lor este în ganglionul

Scarpa) care culeg informaţiile de la receptorii de echilibru din aparatul vestibular al urechii interne.

Aceste aferenţe ajung la nucleii vestibulari din bulb apoi, de aici, în principal spre cerebel, dar în

mai mică măsură şi spre talamus, şi mai departe spre cortexul cerebral (partea posterioară a insulei).

Nervul glosofaringian (IX). Numele acestui nerv indică principalele organe pe care le

inervează: limba şi faringele. Fibrele senzitive, cu origine în doi ganglioni (superior şi inferior),

57

culeg excitaţiile gustative şi generale (tactile, de presiune, durere) din faringe şi partea posterioară a

limbii, de la chemoreceptorii şi presoreceptorii carotidieni; de asemenea, inervează o mică parte a

pielii urechii externe şi parte din mucoasa ce căptuşeşte urechea medie. Fibrele somato-motorii, cu

origine în nucleul ambiguu, inervează muşchii faringelui (la nivel superior) şi ai stâlpilor vălului

palatin; li se alătură aferenţele proprioceptive de la aceiaşi muşchi. Eferenţele vegetative

(parasimpatice) inervează glanda salivară parotidă, având origine în nucleul salivar inferior din bulb.

Nervul vag sau pneumogastric (X). Acest nerv are funcţie predominant vegetativă. Fibrele

somato-motorii inervează muşchii scheletici ai faringelui şi laringelui, iar cele parasimpatice inima,

plămânii şi viscerele abdominale. Fibrele senzitive culeg excitaţiile de la viscerele toracice şi

abdominale, de la preso- şi chemoreceptorii carotidieni şi aortici, de la mugurii gustativi epiglotici şi

faringieni; inervează, de asemenea, o mică parte din pielea urechii externe şi a mucoasei care

căptuşeşte urechea medie; există şi aferenţe proprioceptive de la muşchii faringieni şi laringieni.

Nervul accesoriu sau spinal (XI). Accesoriu (considerat ca parte accesorie a vagului) prezintă

două ramuri, cu origini diferite: unul cranial, care însoţeşte vagul, cu origine bulbară, altul spinal cu

origine în măduva cervicală (C1-C5). In exclusivitate motor, inervează laringele, faringele, palatul

moale – prin ramul cervical, precum şi muşchii trapez şi sternocleiodmastidian – prin ramul spinal.

Nervul hipoglos (XII). Cu origine în bulb, fibrele sale somato-motorii inervează musculatura

intrinsecă şi extrinsecă a limbii.

D. Sistemul nervos vegetativ

Funcţiile organelor interne sunt coordonate, în mod involuntar, de către sistemul nervos

vegetativ (componenta visceromotorie a sistemului nervos), dar în interdependenţă cu sistemul

nervos somatic. Sistemul nervos vegetativ este structurat, ca şi sistemul nervos somatic, în centri

nervoşi vegetativi cuprinşi în encefal şi măduva spinării, ganglioni nervoşi vegetativi extraaxiali şi

fibre nervoase vegetative. Fibrele vegetative aferente (senzitive) sunt distribuite alături de cele

somato-senzitive, însă fibrele eferente (motorii) viscerale sunt individualizate. Spre deosebire de

eferenţele somatice care, pornind din centrii sistemului nervos central, ajung direct la efectori,

efenţele viscerale au staţie în ganglionii vegetativi extraaxiali, unde fac sinapsă cu neuronii

multipolari ganglionari. De aceea, se deosebesc două tipuri de fibre eferente vegetative:

preganglionare (mielinizate, cu origine în centrii vegetativi intraaxiali) şi postganglionare

(amielinice, cu origine în ganglionii vegetativi extraaxiali, inervând direct efectorii). Eferenţele

vegetative aparţin la două sectoare diferite din punct de vedere fiziologic, farmacologic, dar şi

morfologic: sistemul ortosimpatic (simpatic) şi cel parasimpatic (Tabelul 3). Majoritatea structurilor

58

viscerale primesc o dublă inervare, simpatică şi parasimpatică, dar există şi câteva cazuri doar cu

inervare simpatică, ca de exemplu glandele sudoripare, muşchii erectori ai firelor de păr.

Tabelul 3. Diferenţe anatomo-funcţionale între sistemul simpatic şi cel parasimapatic.

Caracteristici Simpatic Parasimpatic

Origine măduva toracolombară (centrii medulari

din segmentele T1-L2)

cranio-sacrală (nucleii nervilor

cranieni III, VII, IX din trunchiul

cerebral; centrii medulari din

segmentele S2-S4)

Localizarea ganglionilor laterovertebral (trunchiul ganghionar) şi

prevertebral (colateral)

intra- sau foarte aproape de organul

deservit

Lungimea relativă a fibrelor

pre- şi postganglionare

fibre preganglionare mai scurte, fibre

postganglionare mai lungi

fibre preganglionare lungi, fibre

postganglionare scurte

Ramuri comunicante albe (conţin fibre preganglionare

mielinizate)

cenuşii (conţin fibre postganglionare

nemielinizate)

-

Gradul de ramificare a

fibrelor preganglionare

extensiv minim

Neurotransmiţători toate fibrele preganglionare eliberează

acetilcolină; multe fibre postganglionare

eliberează norepinefrine (adrenalină şi

noradrenalină); unele fibre

postganglionare (ex. cele care servesc

glandele salivare şi vasele sanguine ale

muşchilor scheletici) eliberează

acetilcolină

toate fibrele eliberează acetilcolină

(fibre colinergice)

Funcţii pregăteşte corpul pentru a face faţă

urgenţelor şi activităţii musculare intense

menţine funcţiile; conservă energia

E. Embriogeneza sistemului nervos

Foarte devreme în dezvoltarea embrionară (cam la 20 de zile după fertilizare), imediat după

constituirea gastrulei, începe diferenţierea sistemului nervos – proces care se numeşte neurulaţie.

De-a lungul axului embrionar, ectoblastul regiunii dorsale se înalţă şi se stratifică formând placa

neurală, cu extremitatea anterioară mai lată decât cea posterioară. Dedesubtul plăci neurale se

întinde o formaţiune cu rol de baghetă de suport, provenită din mezoderm şi numită coardă dorsală

sau notocord; notocordul va fi înlocuit mai târziu de coloana vertebrală. De fapt diferenţierea tubului

neural este indusă de către notocord, după cum indică datele experimentale. Mai târziu, placa

neurală se transformă într-un şanţ neural mărginit de buzele neurale, apoi prin apropierea şi

fuzionarea buzelor şanţul se transformă în tub neural (neurax). Celule din buzele neurale se desprind

şi se ordonează dorsal, de o parte şi alta a tubului neural, sub forma a două cordoane, numite creste

ganglionare. Tubul neural este la început deschis la ambele capete, comunicând cu exteriorul prin

două orificii: neuroporul anterior şi neuroporul posterior. Neuroporul anterior se va închide primul,

prin apariţia plăcii terminale. Neuroporul posterior, înainte de a se închide complet, îşi va modifica

locul de deschidere - de la exterior, la nivelul intestinului posterior prin canalul neurenteric.

59

După închiderea neuroporilor, porţiunea tubului neural care va deveni măduva spinării îşi va

îngroşa pereţii laterali (prin proliferarea celulelor), cel dorsal şi cel ventral rămânând subţiri. Fiecare

perete lateral va fi împărţit de către un şanţ limitrof în două porţiuni: una dorsală, numită placă alară

(în care se vor organiza centrii senzitivi – somatici şi viscerali), alta ventrală, numită placă

fundamentală (în care se vor constitui centrii motori – somatici şi viscerali).

Din extremitatea craniană a tubului neural se va dezvolta encefalul. Această porţiune se

lărgeşte şi formează o veziculă cerebrală, subîmpărţită incomplet în două teritorii: arhencefalul şi

deuterencefalul. Urmează stadiul de trei vezicule encefalice: prozencefalul, mezencefalul şi

rombencefalul, apoi cel de cinci vezicule: telencefalul, diencefalul, mezencefalul, metencefalul şi

mielencefalul, ultima continuându-se posterior cu tubul medular. Iniţial toate cele cinci vezicule

encefalice sunt situate liniar, mai târziu însă, datorită unor inegalităţi de creştere, ele vor descrie în

dispunerea lor trei curburi: apicală sau vertex (la nivelul mezencefalului, convexă în sus), pontină (la

nivelul metencefalului, cu convexitatea în jos) şi nucală (la nivelul mielencefalului, convexă în sus).

Canalul central al tubului neural se menţine în encefal şi măduva spinării. La nivelul

encefalului el formează ventriculele: ventriculele I-II în emisferele cerebrale, ventriculul III la

nivelul diencefalului şi ventriculul IV la nivelul metencefalului şi al mielencefalului; la nivelul

mezencefalului se diferenţiază apeductul lui Sylvius.

Crestele ganglionare se metamerizează transformându-se în ganglioni spinali, de-a lungul

sectorului medular, şi ganglioni cranieni senzitivi, în sectorul cefalic. Din crestele ganglionare mai

iau naştere celulele sistemului nervos vegetativ (simpatic şi parasimpatic), celulele Schwann,

celulele pigmentare.

V. SISTEMUL IMUNITAR LA OM: CELULE, ȚESUTURI, ORGANE2

Sistemul imunitar asigură protecţia organismului împotriva bolilor prin detectarea agenţilor

patogeni – bacterii, viruşi, paraziţi (distingându-i de propriul său ţesut) şi neutralizarea lor.

Elementele celulare ale sistemului imunitar sunt celulele albe ale sângelui, numite şi leucocite, care

sunt produse la nivelul măduvei osoase. Diferenţierea, activarea şi stocarea acestor celule cu rol

imunitar are la nivelul structurilor limfoide localizate în diferite organe, precum nodulii şi ganglionii

limfatici, splina, timusul.

A. Leucocitele

Leucocitele (globulele albe) sunt în număr de 4.000-11.000/mm3 de sânge, au formă

aproximativ sferică şi sunt celule tipice, cu nucleu şi organite comune. Au rol în apărarea corpului

împotriva bolilor (infecţii cu bacterii, virusuri, parazitoze), iar pentru a îndeplini această funcţie,

leucocitele părăsesc capilarele prin diapedeză (mişcări amoeboidale), trecând în ţesutul conjunctiv,

2 Pentru ilustrarea structurilor descrise să se consulte bibliografia recomandată

60

unde sunt microorganismele patogene. Există cinci tipuri de leucocite, grupate pe baza prezenţei sau

absenţei granulelor citoplasmatice în două categorii: granulocite (neutrofile, eozinofile şi bazofile) şi

agranulocite (limfocite şi monocite). Granulocitele prezintă nucleul lobat (de aceea mai sunt numite

polimorfonucleate), numeroase granule şi au proprietatea de a fagocita. Agranulocitele, au granulaţii

puţine sau reduse dimensional.

Neutrofilele sunt cele mai abundente dintre leucocite (circa 60%) şi au rolul de a distruge

bacteriile. Au diametrul de 10-14 m. Nucleul este polilobat (2-6 lobi), iar citoplasma conţine

numeroase granulaţii mici (nu pot fi deosebite la microscopul optic), unele bazofile (colorabile pe

frotiu în albastru), iar altele acidofile (colorabile în roşu).

Eozinofilele, relativ rare (1-4% din leucocite), sunt implicate în reacţiile alergice şi în

parazitoze. Nucleul este adesea bilobat, iar granulaţiile citoplasmatice sunt mari, acidofile

(colorabile în roşu). Diametrul lor variază între 10 şi 14 m.

Bazofilele sunt cele mai rare dintre leucocite (aproximativ 0,5%). Diametrul lor este de 10-

12 m, nucleul apare sub forma literei „S” ori „U”, iar granulaţiile citoplasmatice mari, bazofile

(colorabile în albastru), conţin mediatori ai inflamaţilor alergice, de tipul histaminei.

Limfocitele sunt relativ frecvente, reprezentând 20-45% dintre leucocite. Au rol în imunitate

(recunoaşterea şi atacarea moleculelor străine specifice). Prezintă o largă variabilitate dimensională,

diametrul fiind de 5-17 m. Nucleul este sferic, mare, ocupând cea mai mare parte din celulă. Există

două tipuri principale de limfocite: limfocitele T şi cele B. Limfocitele T atacă direct celule

eucariote străine corpului, (fungi sau celule umane introduse prin transplanturi), dar şi celule proprii

alterate (considerate străine), precum cele infectate cu virusuri sau alţi patogeni, celulele canceroase.

Limfocitele B acţionează indirect (secretând anticorpi) asupra bacteriilor sau a proteinelor secretate

de celule străine (de exemplu, toxinele bacteriene).

Monocitele, în proporţie de 4-8% printre leucocite, sunt cele mai mari globule albe, diametru

lor variind în limitele de 14-24 m. Nucleul apare reniform. Au rol fagocitar, devenind macrofage în

ţesutul conjunctiv.

B. Măduva osoasă

Procesul de formare a celulelor sanguine începe din stadiile timpurii ale dezvoltării

embrionare şi continuă apoi toată viaţa. După naştere, toate tipurile de celule sanguine provin din

măduva osoasă, fiind produse cu o rată de circa 100 miliarde celule noi pe zi.

Măduva osoasă ocupă interiorul tuturor oaselor, dar numai măduva roşie produce activ celule

sanguine, culoarea sa fiind dată de numărul mare de eritrocite imature pe care le conţine. Măduva

galbenă este latentă (inactivă), producând celule sanguine numai în urgenţe care presupun

61

intensificarea hemo-leocopoiezei. La naştere, toată măduva din schelet este roşie; la adulţi, măduva

roşie rămâne doar în scheletul axial şi centuri, precum şi în epifizele proximale ale humerusurilor şi

femurelor; măduva galbenă ocupă toate celelalte regiuni ale oaselor lungi de la nivelul membrelor.

Ţesutul de bază din structura măduvei osoase este unul conjunctiv reticular, în care fibrele

reticulare (produse de fibroblaste) formează o reţea complexă, în spaţiile căreia se găsesc atât celule

adipoase cât şi celule sanguine în formare (în toate stadiile de maturare). Reţeaua reticulară este

străbătută de numeroase capilare sanguine de tip sinusoidal (cu spaţii largi intercelulare în pereţi). Pe

măsură ce se formează, celulele sanguine intră în curentul sanguin străbătând peretele capilarelor

sinusoidale. Ţesutul reticular al măduvei osoase conţine şi celule macrofage care îşi extind

pseudopodele în capilarele sinusoidale pentru a captura antigenii din sânge.

C. Structuri limfoide

Structurile limfoide au rolul de a stoca limfocitele mature şi de a le activa pe cele imature

care îşi au originea în celulele stem limfoide din măduva osoasă. Limfocitele imature destinate să

devină de tip T migrează din măduva osoasă spre timus, unde îşi vor dezvolta imunocompetenţa

(abilitatea de recunoaştere a unui antigen specific); tipul B de limfocite îşi dezvoltă

imunocompetenţa în măduva osoasă. După ce părăsesc timusul sau măduva osoasă, ca celule

imunocompetente tinere („lipsite de experienţă”), limfocitele ajung pe calea sângelui în ţesuturile

conjunctive infectate (mai ales în ţesutul limfoid din ganglionii limfatici) unde, după întâlnirea cu

antigenii specifici, devin pe deplin activate (mature) şi proliferează rapid. Limfocitele

imunocompetente mature se reîntorc în circuitul sanguin şi limfatic, prin care ajung în alte

structurile limfoide ale corpului.

Ţesutul limfoid. Ţesutul limfoid este un ţesut conjunctiv, adesea infectat, în care se adună

foarte multe limfocite pentru a combate microbii. Acest ţesut apare la nivelul membranelor mucoase

frecvent infectate de la nivelul tractusului digestiv, respirator, urinar şi reproductiv, precum şi în

organele limfoide – cu excepţia timusului. Ţesutul limfoid poate avea un aspect mai condensat, caz

în care se numeşte folicul (nodul) limfoid, având un centru germinal în care se divid limfocitele.

Foliculii limfoizi abundă în amigdalele (tonsilele) faringiene (nazofaringiene, palatine etc.) sau în

apendicele vermiform al cecumului.

Ganglionii limfatici. Ganglionii limfatici sunt formaţiuni situate de-a lungul vaselor

limfatice, de forma unor boabe de fasole (diametrul de 1-2,5 cm), având pe lângă funcţia de filtrare a

limfei şi rol imunitar. În corpul uman există circa 500 de ganglioni limfatici, unii fiind concentraţi în

anumite zone ale corpului, precum ganglionii superficiali cervicali, axilari şi inghinali. Ganglionul

limfatic este delimitat de o capsulă fibroasă, de natură conjunctivă, din care se desprind spre interior

62

septe, numite trabecule. Limfa pătrunde în ganglion prin vase limfatice aferente (prin partea convexă

a ganglionului) şi iese prin vasele limfatice eferente (situate în concavitatea numită hil).

În interiorul ganglionului, între vasele aferente şi cele eferente se interpun sinusurile

limfatice, în care capilarele limfatice sunt întrerupte de o reţea de fibre reticulare însoţite de celule

endoteliale stelate. Numeroasele macrofage care se găsesc în sinusurile limfatice fagocitează

microbii şi particulele străine din limfa care ajunge la acest nivel. Între sinusurile limfatice ale unui

ganglion există porţiuni de ţesut limfoid (foliculi). Din punct de vedere histologic, se disting două

regiuni ale ganglionului: corticală şi medulară. În zona corticală sunt situate porţiunile mai

voluminoase ale foliculilor limfatici, iar capete subţiate ale foliculilor pătrund în medulara

ganglionului aflată spre hil.

Splina. Cu dimensiunile unui pumn, splina este cel mai mare organ limfoid. Splina este un

organ nepereche situat în partea superioară dreaptă a cavităţii abdominale, posterior stomacului.

Forma sa este uşor alungită, având faţa anterioară concavă (la nivelul căreia se află hilul), iar cea

posterioară convexă. Pe lângă rolul imunitar (mobilizarea limfocitelor imunocompetente), splina mai

realizează epurarea sângelui, distrugerea hematiilor bătrâne sau deficiente, hematopoieza la fetus,

depozitarea hematiilor şi plachetelor sanguine.

La periferie, splina prezintă o capsulă fibroasă, din care se desprind spre interior septe

(trabecule). În interior pot fi distinse două teritorii cu zone care se întrepătrund: pulpa roşie şi pulpa

albă. Pulpa roşie realizează filtrarea şi purificarea sângelui, conţinând sinusurile venoase (formate pe

seama capilarelor provenite din ramificarea extensivă a arterelor trabeculare) şi cordoanele splenice

(ţesut conjunctiv reticular foarte bogat în macrofage). Pulpa albă reprezintă ţesutul limfoid al splinei,

ea fiind dispusă sub formă de insule în masa pulpei roşii.

Timusul. Timusul are atât funcţie endocrină cât şi imunitară. Ca organ limfoid, timusul

realizează doar prima etapă a maturării limfocitelor, neluptând direct cu antigenii.

Celulele secretorii, organizate într-o structură epitelială reticulară, secretă hormoni timici,

care stimulează diferenţierea limfocitelor T din celule precursoare. Lobul timic conţine numeroşi

lobuli. La nivelul fiecărui lobul poate fi identificată o porţiune corticală externă (zonă de aglomerare

a limfocitelor T) şi alta medulară internă (cu mai puţine limfocite). În zona medulară se găsesc

corpusculi timici (Hassall) care par să reprezinte puncte de acumulare a celulelor epiteliale reticulare

degenerate. Numărul şi mărimea corpusculilor Hassall cresc odată cu vârsta.

Timusul este foarte activ în perioada copilăriei, iar după perioada adolescenţei ţesutul său

secretor începe să fie înlocuit cu ţesut fibros şi gras. Însă chiar dacă se atrofiază în timp, timusul

continuă să producă şi la adult limfocite T, dar într-un ritm mai redus.

SUPORT CURS – BIOCHIMIE

1. Metabolismul macromoleculelor informaţionale

Digestia şi absorbţia proteinelor. La animale şi om, digestia proteinelor exogene este realizată de

către enzimele proteolitice numite şi proteinaze, localizate la nivelul tractului digestiv. Spre deosebire de

glucide, unde digestia debutează chiar în cavitatea bucală sub acţiunea amilazei salivare, digestia protei-

nelor începe în stomac deoarece saliva nu conţine enzime proteolitice. În stomac acţionează pepsina care

rezultă prin activarea pepsinogenului şi care, la pH = 1,5 ÷ 2,5 hidrolizează proteinele alimentare până la

proteoze şi peptone care sunt polipeptide cu masă moleculară relativ mare, solubile în apă.

După degradarea parţială din stomac sub acţiunea pepsinei gastrice, bolul alimentar trece în duo-

den unde, datorită acidităţii căpătate în stomac, determină secreţia de către mucoasa duodenală a unui

hormon specific numit secretină. În acelaşi timp, sub acţiunea proteozelor şi a aminoacizilor liberi din

bolul alimentar mai este secretat şi un alt hormon numit pancreozimină. Aceşti hormoni stimulează secre-

ţia pancreatică: secretina determină eliberarea de apă şi săruri minerale, iar pancreozimina stimulează se-

creţia enzimelor pancreatice. Sucul pancreatic conţine ioni de Na+, Cl– şi bicarbonat şi are un pH cuprins

între 7,0 – 8,0. Bolul alimentar vine din stomac cu un pH de 4,0 – 4,5 care în duoden este alcalinizat par-

ţial de sucul pancreatic la pH 6,0 – 6,5. În intestinul subţire pH-ul acestuia devine slab alcalin (pH = 8,0).

Sucul pancreatic mai conţine şi zimogenii unor proteinaze: tripsinogen, chimotripsinogen,

procarboxipeptidază şi proelastază. Tripsinogenul este convertit în tripsină activă mai întâi sub acţiunea

enterokinazei după care procesul decurge autocatalitic. Ceilalţi precursori sunt activaţi de către tripsina

astfel formată.

Tripsina şi chimotripsina hidrolizează proteozele şi peptonele cu formare de oligopeptide (cu câte

8 – 9 resturi de aminoacizi în moleculă), dipeptide şi, într-o măsură mai mică, aminoacizi liberi.

Carboxipeptidaza hidrolizează legăturile peptidice din oligopeptide de la capătul C-terminal cu formare

de aminoacizi liberi. După acţiunea sucului pancreatic în duoden, degradarea produşilor de hidroliză este

continuată în intestinul subţire sub acţiunea enzimelor pe care le conţine sucul intestinal: aminopeptidaze,

dipeptidaze şi polipeptidaze astfel încât, rezultatul final al digestiei proteinelor la nivelul tractului digestiv

îl reprezintă aminoacizii liberi.

La nivelul intestinului subţire, aminoacizii rezultaţi prin hidroliza proteinelor alimentare sunt ab-

sorbiţi, traversarea peretelui intestinal nefiind o difuziune ci un transport activ al cărui mecanism diferă de

la un aminoacid la altul. Peptidele cu masă moleculară mică pot fi absorbite la nivel intestinal dar în limi-

te extrem de mici. O excepţie o constituie absorbţia la nivelul intestinului subţire a globulinelor din

colostrum în primele câteva zile după naştere, ceea ce dă posibilitatea creării imunităţii noului născut faţă

de diferiţi agenţi patogeni din mediul înconjurător. Aminoacizii absorbiţi la nivel intestinal sunt apoi

transportaţi de către sânge spre ţesuturi. În primele ore după digestie, concentraţia aminoacizilor în sânge,

2

ficat, intestin şi rinichi este foarte crescută. La nivel tisular, aminoacizii sunt, fie degradaţi în continuare,

fie că sunt utilizaţi la biosinteza noilor proteine.

Hidroliza enzimatică a proteinelor

Degradarea hidrolitică a proteinelor poate fi parţială, cu formare de peptide şi totală când se for-

mează aminoacizi. În cazul hidrolizei parţiale se scindează numai anumite legături peptidice din molecula

proteinelor, legături care sunt vecine cu anumite resturi de aminoacizi faţă de care enzima proteolitică

respectivă manifestă specificitate. Enzimele ce scindează hidrolitic legăturile peptidice din proteine şi

peptide se numesc proteaze sau peptid-hidrolaze şi aparţin subclasei E.C. – 3.4. La rândul lor, proteazele

se clasifică în proteinaze sau peptid-peptido-hidrolaze, carboxipeptidaze, aminopeptidaze, dipeptidaze

etc. Reacţia catalizată de peptid-hidrolaze poate fi reprezentată schematic astfel:

+ H – OH + H2N – CH – IR2

.......... – CH – CO – NH – CH – IR1

IR2

..... – CH – COOHIR1

.....

În urma acţiunii peptid-hidrolazelor asupra proteinelor iniţial se formează peptide cu număr diferit

de aminoacizi în moleculă, iar în final un amestec de aminoacizi, aceştia din urmă reprezentând produşii

finali ai hidrolizei enzimatice a proteinelor. Peptid-hidrolazele se întâlnesc în absolut toate organismele

vii (microorganisme, plante şi animale) unde îndeplinesc o serie de funcţii specifice de mare importanţă

pentru metabolism.

Enzime proteolitice tisulare de origine animală

Catepsinele. În afara enzimelor proteolitice ale tractului gastro-intestinal, organismele animale

conţin o serie de peptid-hidrolaze localizate intracelular în diferite ţesuturi. Acestea poartă numele de

catepsine, au un pH optim de acţiune în zona slab acidă şi îndeplinesc funcţia de a degrada proteinele ce-

lulare în vederea reînnoirii acestora. În prezent se cunosc 5 tipuri de catepsine care au fost notate cu A, B,

C, D şi E şi care se deosebesc între ele în funcţie de specificitatea de substrat, pH optim de acţiune etc.

Catepsina A se întâlneşte preponderent în muşchii scheletici şi splină şi mai puţin în alte ţesuturi.

Studiul specificităţii de substrat a demonstrat faptul că această enzimă este asemănătoare din acest punct

de vedere cu carboxipeptidaza A din sucul pancreatic. Studii cinetice au fost efectuate cu substratul sinte-

tic carbobenzoxi-glutaril-tirozina asupra căruia catepsina A acţionează la un pH optim de 5,6. S-a mai

demonstrat că cisteina şi glutationul redus manifestă un slab efect activator asupra acestei enzime.

Catepsina B hidrolizează amidele benzoil-argininei şi benzoil-lizinei (substrate sintetice utilizate

în studiile cineticii enzimatice), în prezenţa cisteinei ca activator. Această enzimă este localizată prepon-

derent în splină şi mai puţin în glanda tiroidă, ficat, plămâni, rinichi şi glandele suprarenale. Cele mai

mici cantităţi se găsesc în sânge, inimă, creier şi muşchii scheletici. Într-o serie de experienţe efectuate pe

animale de laborator iradiate s-a demonstrat că ponderea activităţii catepsinei B din splină revine fagoci-

telor. Acest lucru este de o importanţă deosebită deoarece în acest mod, catepsina B poate degrada protei-

nele prinse în fagocitoză. Cele mai bune substrate pentru catepsina B din splină şi hepatocite sunt gelati-

3

na, β-lactoglobulina, albumina serică etc., precum şi unele substrate sintetice pe care le hidrolizează cu

viteze maxime la pH cuprins între 3,0 şi 6,0.

Catepsina C este o proteinază sulfhidrilică tipică răspândită în majoritatea ţesuturilor animale. Ea

scindează hidrolitic resturi dipeptidice de la extremităţile N-terminale ale proteinelor substrat, putând fi

considerată ca o aminopeptidază specială. În afară de capacitatea proteolitică, catepsina C mai poate acţi-

ona şi ca o transferază. În domeniul slab acid (la pH = 5,0) predomină activitatea hidrolitică, iar în mediu

neutru şi slab alcalin predomină activitatea trans-peptidazică.

Catepsina D este localizată în splină, ficat, glandele suprarenale, muşchii scheletici, creier şi alte

organe şi hidrolizează cu viteză maximă hemoglobina denaturată la pH = 3,0 şi albumina serică denatura-

tă la pH = 4,2 dar nu acţionează asupra substratelor specifice celorlalte catepsine. Activitatea acestei en-

zime nu se modifică în prezenţa cisteinei, iodacetamidei, p-clor-mercuribenzoatului şi a EDTA (reactivi

specifici pentru grupele sulfhidril), ceea ce demonstrează faptul că, spre deosebire de catepsinele B şi C,

catepsina D nu este o proteinază tiolică.

Catabolismul aminoacizilor

Căi comune de degradare a aminoacizilor

Aminoacizii sintetizaţi în celulele vii sunt folosiţi pentru biosinteza de proteine specifice organis-

melor respective, de enzime şi de hormoni de natură polipeptidică sau pot fi metabolizaţi cu formarea

unor compuşi intermediari utilizaţi la rândul lor în sinteza bazelor azotate sau a altor compuşi. Ei pot su-

feri de asemenea o degradare oxidativă completă şi în acest caz servesc ca sursă energetică. O serie de

reacţii de degradare sunt comune tuturor aminoacizilor, iar restul hidrocarbonat se degradează apoi pe căi

diferite, specifice fiecărui aminoacid. Principalele căi comune de degradare a aminoacizilor sunt

dezaminarea, decarboxilarea şi transaminarea, iar pentru unii dintre ei transmetilarea şi transamidinarea.

Dezaminarea aminoacizilor

Procesul de dezaminare reprezintă procesul de eliminare a grupării aminice sub formă de amoniac

cu formarea acizilor corespunzători, adică a α-cetoacizilor, α-hidroxiacizilor, acizilor carboxilici saturaţi

şi nesaturaţi etc. Produşii rezultaţi în urma dezaminării aminoacizilor sunt apoi metabolizaţi în celulă, fi-

ind utilizaţi, fie în procese de biosinteză a altor constituenţi celulari, fie că sunt degradaţi în scopul formă-

rii energiei necesare întreţinerii proceselor biochimice În funcţie de natura enzimelor ce catalizează aces-

te procese şi de structura chimică a produşilor formaţi, dezaminarea aminoacizilor poate fi reductivă, hi-

drolitică, oxidativă sau desaturantă.

a) Dezaminarea reductivă are loc atunci când aminoacidul este transformat în acidul carboxilic

corespunzător cu eliberare de amoniac, donorul hidrogenului necesar reducerii fiind NADH-ul. Aminoa-

cizii se dezaminează reductiv sub acţiunea aminoacid-reductazelor specifice NADH-dependente:

R – CH 2 – COOH + NH 3

Aminoacid-reductaza

NADH+H+ NAD+

R – CH – COOHINH2

Aminoacid Acid carboxilic

4

b) Dezaminarea hidrolitică realizează înlăturarea azotului aminic sub formă de amoniac cu for-

marea α-hidroxiacidului corespunzător:

R – CH – COOHINH2

Aminoacid

R – CH – COOH + NH 3IOH

H2O

Aminoacid-hidrolazaHidroxiacid

c) Dezaminarea oxidativă a aminoacizilor constă în eliminarea azotului aminic sub formă de

amoniac cu formarea α-cetoacidului corespunzător, sub acţiunea aminoacid-oxidazelor specifice:

Aminoacid Cetoacid

R – CH – COOHINH2 Aminoacid-oxidaza

1/2O2 R – C – COOH + NH3IIO

La animalele superioare şi în organismul uman predomină dezaminarea aminoacizilor pe cale oxi-

dativă. Reacţia de dezaminare oxidativă decurge în două etape. În prima fază are loc un proces de dehi-

drogenare a aminoacidului cu formarea α-iminoacidului corespunzător. În etapa a II-a are loc adiţionarea

elementelor apei cu formarea α-cetoacidului corespunzător şi eliminarea amoniacului:

R – CH – COOHINH2

R – C – COOHIINH

R – C – COOH

OII

FAD FADH2

α-Aminoacid α-Iminoacid α-Cetoacid

H2O NH3

d) Dezaminarea desaturantă este procesul prin care aminoacizii eliberează azotul aminic sub

formă de amoniac cu formarea acizilor nesaturaţi corespunzători:

R – CH = CH – COOHR – CH 2 – CH – COOH

INH2

NH3

Aminoacid Acid α,β-nesaturat

Decarboxilarea aminoacizilor

Procesul de eliminare a grupelor –COOH din moleculele aminoacizilor este catalizat de enzime

specifice numite aminoacid-decarboxilaze care conţin în calitate de cofactor piridoxal-fosfatul. Prin

decarboxilare, aminoacizii proteinogeni formează monoamine, diamine, γ- şi δ-aminoacizi etc., în funcţie

de structura chimică a aminoacidului supus decarboxilării. Reacţia generală de decarboxilare a aminoaci-

zilor poate fi reprezentată astfel:

R – CH – COOHINH2

α-Aminoacid

R – CH2 – NH2Aminoacid-decarboxilaza

CO2

Aminã

Aminoacizii diaminomonocarboxilici formează prin decarboxilare diaminele corespunzătoare.

Astfel, prin decarbo-xilarea lizinei se formează cadaverina, iar ornitina trece în putresceină. Aceste

diamine au un miros specific, iar procesul de decarboxilare este deosebit de intens în cadavre unde se rea-

5

lizează sub acţiunea decarboxilazelor din microflora de putrefacţie. Mirosul specific de cadavru este dato-

rat diaminelor care se formează în cantităţi crescute:

H2N – (CH 2)5 – NH 2INH2

H2N – (CH 2)4 – CH – COOH

Lezin-decarboxilaza

CO2

Lizinã Cadaverinã

Ornitin-decarboxilaza

CO2

H2N – (CH2)4 – NH2INH2

H2N – (CH2)3 – CH – COOH

PutresceinãOrnitinã

Putresceina se mai formează şi prin decarboxilarea argininei. În acest caz se formează mai întâi

agmatina în calitate de compus intermediar, iar aceasta se descompune prin hidroliză în uree şi

putresceină:

H2N– C – NH – (CH2)3 – CH – COOHIINH

INH2

CO2

Arginin-decarboxilaza

Argininã

H2N– C – NH – (CH2)3 – CH2 – NH2IINH

Agmatinã

Agmatin-ureo- hidrolaza

H2O

H2N – (CH 2)4 – NH 2 H2N – C – NH 2IIO

+

Putresceinã Uree

Decarboxilarea lizinei, argininei şi ornitinei se realizează şi in vivo. Diaminele rezultate nu se

acumulează însă ci sunt utilizate de organism în calitate de precursori în biosinteza unor poliamine biolo-

gic active cum ar fi spermina şi spermidina. Acestea se întâlnesc în cantităţi apreciabile în unele ţesuturi

(ficat, pancreas, plămâni etc.) şi în unele microorganisme (Escherichia coli, Aspergillus nidulans etc.).

Poliaminele joacă roluri diverse, încă incomplet elucidate, în organismele vii. Nu este exclus ca

ele să joace un rol de stabilizare a structurilor membranare şi ribozomale, să îndeplinească un rol de factor

de creştere pentru unele microorganisme etc. Ele mai joacă un rol important în reglarea biosintezei acizi-

lor nucleici şi proteinelor.

Deoarece aminele rezultate prin decarboxilarea aminoacizilor manifestă o acţiune fiziologică im-

portantă, ele au primit numele de amine biogene. Unele dintre ele prezintă importante proprietăţi farma-

codinamice (în special histamina şi tiramina). Alte amine biogene îndeplinesc un important rol de precur-

sori în biosinteza unor hormoni derivaţi de la aminoacizi (triptamina, serotonina, DOP-amina etc.), iar la

unele plante mulţi alcaloizi se sintetizează prin utilizarea în calitate de precursori a aminelor biogene.

Multe amine biogene sunt deosebit de toxice pentru organismul uman şi animal, din care cauză, excesul

lor în organism poate fi letal. O cantitate relativ crescută de amine biogene se poate forma prin alterarea

alimentelor de origine animală bogate în proteine, sub acţiunea decarboxilazelor microorganismelor.

Acest fenomen explică toxiinfecţiile alimentare cauzate de consumul de preparate din carne alterată, mai

6

ales cele din ficat şi peşte care sunt alimentele cele mai uşor alterabile. La consumuri exagerate de protei-

ne de origine animală, procesul de decarboxilare a aminoacizilor este deosebit de intens datorită necesită-

ţii degradării rapide a excesului de aminoacizi. Aminele biogene formate în acest caz sub acţiunea

decarboxilazelor endogene pot determina apariţia gutei.

În condiţiile unui metabolism echilibrat, organismele vii au capacitatea de a metaboliza în conti-

nuare aminele biogene toxice prin oxidarea lor sub acţiunea unor enzime specifice. De exemplu,

monoaminoxidazele (MAO) catalizează dezaminarea oxidativă a monoaminelor cu formarea aldehidelor

corespunzătoare, amoniacului şi apei oxigenate:

R – CH 2 – NH 2 O2 +H2O NH3 H2O2Monoaminoxidaza+ + R – C = O

IH

+

Aceste reacţii sunt cuplate de regulă cu acţiunea catalazei sau peroxidazei deoarece unul din pro-

duşii de reacţie (H2O2) este, de asemenea, toxic pentru celula vie.

Oxidarea diaminelor are loc sub acţiunea diaminoxidazelor specifice (DAO) şi conduce la forma-

rea amino-aldehidelor corespunzătoare, amoniacului şi apei oxigenate:

DAOH2N – (CH2)n – NH2 H2N – CH2)n-1 – C = O

IH

+ H2O2 + NH3

O2

H2O

Aldehidele rezultate se pot oxida în continuare cu formarea acizilor corespunzători. Datorită acţi-

unii lor de degradare a aminelor biogene toxice, monoaminoxidazele şi diaminoxidazele îndeplinesc în

organismul viu o funcţie extrem de importantă şi anume cea de detoxifiere, aceste enzime fiind la fel de

răspândite ca şi decarboxilazele aminoacizilor deoarece acţiunea lor este conjugată.

Transaminarea aminoacizilor

Reacţia de transaminare a aminoacizilor are loc sub acţiunea catalitică a aminotransferazelor

(transaminazelor) şi constă în transferul grupei –NH2 de la un α-aminoacid la un α-cetoacid cu formarea

unui nou aminoacid şi a unui nou cetoacid. Reacţia de transaminare mai poate fi considerată ca un tip

special de dezaminare a aminoacizilor, însă fără formare de amoniac:

COOHICH – NH 2IR1

COOHIC = OIR2

COOHI

IR1

C = O CH – NH 2

COOHI

IR2

+Aminotransferazã

+

Aminotransferazele sunt localizate atât intramitocondrial cât şi în faza solubilă a citoplasmei celu-

lelor eucariote, iar rolul este extrem de diferit. Pe parcursul reacţiei de transaminare, piridoxal – 5 – fosfa-

tul (PALP) trece reversibil în pirodixamin-5-fosfat (PAMP):

Piridoxal-5-fosfat (PALP) Piridoxamin-5-fosfat (PAMP)

H – C = OI

CH2 – NH2I

N

HO– CH2 – O – P

H3C N

HO– CH2 – O – P

H3C

7

Aminoacid-aminotransferazele sunt larg răspândite în ţesuturile vegetale şi animale, precum şi

în microorganisme, în prezent cunoscându-se peste 30 de aminotransferaze specifice. Unele dintre ele

sunt mai intens studiate, datorită importanţei lor practice. Printre acestea se numără alanin-

aminotransferaza şi respectiv aspartat-aminotransferaza, enzime ce catalizează următoarele reacţii:

Determinarea activităţii acestor două enzime în serul sanguin se efectuează în mod curent în labo-

ratoarele clinice pentru diagnosticul unor maladii ale ficatului şi inimii.

Produşi finali ai metabolismului aminoacizilor

Degradarea completă a aminoacizilor conduce la formarea de apă, dioxid de carbon, amoniac şi

energie. Apa rezultată poate fi eliminată din organism sau poate participa la procesele metabolice celula-

re, dioxidul de carbon se poate elimina, de asemenea, fără nici o dificultate din organism sau poate parti-

cipa la formarea anionilor carbonat-bicarbonat, iar amoniacul este convertit în compuşi azotaţi netoxici.

Ciclul ureogenetic

Amoniacul rezultat în urma proceselor de dezaminare a aminoacizilor, precum şi din alte procese

metabolice ale acestor biomolecule este un produs toxic pentru celula vie, chiar şi în concentraţii relativ

mici. La mamifere, acest produs final de metabolism este convertit în uree, fiind apoi eliminat pe cale re-

nală. Această cale metabolică debutează prin mobilizarea amoniacului sub acţiunea carbamilfosfat-

sintetazei care, în prezenţă de ATP ca sursă de energie şi radicali ortofosfat, catalizează reacţia de con-

densare a amoniacului cu dioxidul de carbon cu formare de carbamil-fosfat:

Carbamilfosfat- sintetaza

HCO 3- + NH 4

+ H 2N – C – O – P – OHMg

2+2ATP 2ADP + P i

IOH

IIO

IIO

În hepatocite au fost descoperite două enzime ce catalizează acest proces şi anume

carbamilfosfat-sintetaza I (în mitocondrii) şi carbamilfosfat-sintetaza II, prezentă în citoplasmă. În etapa

următoare a procesului acţionează enzima numită ornitin-transcarbamilază ce catalizează reacţia de con-

densare a carbamil-fosfatului cu ornitina, cu formare de citrulină:

Carbamil-fosfat

IOH

IIO

H2N – C – O – P – OHIIO

+ H2N – (CH 2)3 – CH – COOHINH2

H3PO4

Ornitin-transcarbamilaza

Ornitinã

COOHICH2

CH – NH2

COOH

I

I

I

IC = O

COOH

CH2

CH2

COOH

I

IC = O

COOHICH2

COOH

I

ICH – NH2

I

I

COOH

CH2

CH2

COOH

I

I+ +

Aspartat-aminotransferaza (TGO)

PALP

Acid aspartic Acid glutamic Acid α-cetoglutaric

Acid oxalilacetic

+

COOHI

ICH3

C = OI

IC = O

COOH

CH2

CH2

COOH

I

I

I

I

COOH

CH2

CH2

COOH

I

ICH – NH 2

COOHICH – NH 2ICH3

+Alanin-aminotransferaza (TGP)

PALP

Acid α-cetoglutaric

Alaninã Acid glutamic Acidpiruvic

8

Citrulinã

H2N – C – NH – (CH 2)3 – CH – COOH

OII

INH2

În prezenţa arginino-succinat-sintetazei, a ATP-ului şi a ionilor de magneziu, citrulina astfel for-

mată dă o reacţie de condensare cu acidul aspartic generând acidul arginino-succinic:

În etapa următoare acţionează arginino-succinat liaza care scindează acidul arginino-succinic cu

formare de arginină şi acid fumaric:

Ultima etapă a ciclului ureogenetic constă în scindarea argininei în ornitină şi uree, proces ce are

loc exclusiv în ficat. Acest lucru este argumentat de faptul că enzima ce catalizează această reacţie – ar-

ginaza – este localizată exclusiv în hepatocite. Molecula sa este alcătuită din două subunităţi identice le-

gate între ele prin intermediul ionilor de Mg2+ şi are o masă moleculară de 120.000 Da. Scindarea argini-

nei se face pe cale hidrolitică, iar ornitina rezultată poate relua un nou ciclu de transformare a carbamil-

fosfatului. Această cale metabolică este cunoscută sub numele de ciclu ureogenetic sau ciclul Krebs –

Henseleit:

+

Argininã Ornitinã Uree

NH2

HN = CI

INHI

(CH2)3ICH – NH2ICOOH

NH2I

(CH2)3ICH – NH2ICOOH

Arginaza

H2O HN NH2

C

OHI

H2NC

NH2

IIO

Ureea formată în această cale metabolică este transportată pe cale sanguină la rinichi, fiind elimi-

nată apoi prin urină. Pentru fiecare moleculă de uree formată se consumă o moleculă de dioxid de carbon

şi o moleculă de amoniac care reprezintă precursorii atomului de carbon şi respectiv a unuia din atomii de

azot ai ureei. Celălalt atom de azot este cedat de acidul aspartic care, la rândul său, este regenerat conti-

nuu în cursul proceselor de transaminare ce au loc între glutamat şi oxaloacetat.

H2N – C – NH – (CH 2)3 – CH – COOH

OII

INH 2

Citrulinã

+

Acid aspartic

COOHI

CH – NH 2ICOOH

CH 2I Arginino-

succinat-sintetaza

ATP AMP + PPi

Mg2+

CH 2 – COOHI

NH – CH – COOH

NH – (CH 2)3 – CH – COOHI

HNC

NH 2I

Acid arginino-succinic

Acid arginino-succinic

CH 2 – COOHI

NH – CH – COOH

NH – (CH 2)3 – CH – COOHI

HNC

NH 2I

H – C – COOH

HOOC – C – HII

+

Acid fumaric

Arginino-succinat liaza H2N – C – NH – (CH2)3 – CH – COOH

IINH

INH2

Argininã

+

9

Ciclul ureogenetic este strâns legat de metabolismul tuturor aminoacizilor dar, în acelaşi timp,

mediază legătura cu metabolismul glucidic şi lipidic prin oxaloacetatul, malatul şi fumaratul care se for-

mează în calitate de produşi intermediari.

CATABOLISMUL ACIZILOR NUCLEICI

Catabolismul nucleoproteinelor debutează prin scindarea acidului nucleic (în calitatea sa de grupa-

re prostetică) de componenta proteică. Clivarea celor două componente se realizează în tubul digestiv sub

acţiunea enzimelor proteolitice (pepsină, tripsină etc.) după care componentele proteice suferă aceleaşi

transformări ca şi proteinele simple, iar degradarea acizilor nucleici se realizează pe căi specifice, sub ac-

ţiunea unor enzime specifice.

Hidroliza enzimatică a acizilor nucleici

Legăturile internucleotidice 3’,5’-fosfodiesterice din catenele polinucleotidice ale acizilor nucleici

sunt scindate fără eliberarea de ortofosfat sub acţiunea unor enzime specifice din clasa hidrolazelor numi-

te nucleaze. Prin ruperea legăturilor fosfodiesterice se pot forma produşi fosforilaţi la capătul 3’ sau la

capătul 5’. În funcţie de specificitatea de substrat, nucleazele se clasifică în următoarele trei grupe:

– ribonucleaze (notate prescurtat RN-aze sau ARN-aze) sunt enzime ce hidrolizează moleculele

acizilor ribonucleici;

– deoxiribonucleaze (notate prescurtat DN-aze sau ADN-aze) sunt enzime ce scindează moleculele

acizilor deoxiribonucleici;

– nucleaze fără specificitate.

Din punctul de vedere al modului de acţiune, nucleazele, ca şi alte enzime ce acţionează asupra

unor substrate macromoleculare, pot fi endonucleaze şi exonucleaze.

Exonucleazele hidrolizează atât catenele poliribonucleotidice cât şi cele polideoxiribonucleotidice

prin clivarea succesivă a mononucleotidelor de la unul din capetele catenei. Ele manifestă o specificitate

înaltă de substrat care se referă la capacitatea lor de a acţiona asupra polinucleotidelor mono- sau

bicatenare. Endonucleazele hidrolizează legăturile fosfodiesterice aflate în interiorul catenelor

polinucleotidice ale moleculelor de ADN şi ARN cu formarea unor fragmente oligonucleotidice. O serie

de exonucleaze se utilizează ca instrumente analitice în studiul structurii primare a ADN-ului şi/sau ARN-

ului sau la obţinerea de nucleozid-5’-monofosfaţi şi nucleozid-3’-monofosfaţi.

Endonucleazele de restricţie sau restrictazele sunt endo-deoxiribonucleaze cu o înaltă specificitate

de substrat. Ele hidrolizează ADN-ul numai la nivelul anumitor legături fosfodiesterice, caracteristice

pentru secvenţe unice de nucleotide. Restrictazele intră în alcătuirea aşa-numitului sistem celular protec-

tor de restricţie-modificaţie fiind capabile să hidrolizeze ADN-ul străin cum ar fi de exemplu ADN-ul

viral fără a acţiona însă asupra ADN-ului propriu, acesta deosebindu-se prin caracterul modificaţiei.

Hidroliza enzimatică a nucleotidelor şi nucleozidelor

Mononucleotidele formate în urma hidrolizei enzimatice a acizilor nucleici sunt degradate în con-

tinuare cu formare de nucleozide şi ortofosfat. Acest proces poate avea loc sub acţiunea catalitică a

10

fosfomonoesterazelor nespecifice sau a hidrolazelor specifice. Din prima categorie fac parte

fosfomonoesteraza (sau fosfataza) alcalină şi respectiv cea acidă, iar dintre hidrolazele specifice cele mai

bine studiate sunt 5’-nucleotidaza care hidrolizează nucleozid-5’-monofosfaţii şi respectiv 3’-

nucleotidaza care manifestă o înaltă specificitate faţă de nucleozid-3’-monofosfaţi. Rezultatul acţiunii

acestora asupra nucleotidelor îl reprezintă deci nucleozidele şi ortofosfatul. Ionii ortofosfat intră în meta-

bolismul hidro-mineral, iar nucleozidele sunt degradate în continuare cu formare de baze azotate şi pento-

ze sub acţiunea nucleozidazelor care pot hidroliza legăturile N-glicozidice din nucleozide dar chiar şi din

nucleotide. Nucleozidele mai pot fi însă degradate şi prin transferul restului de pentoză pe o moleculă de

ortofosfat cu formarea pentozo-fosfaţilor şi a bazelor azotate libere. În fine, au mai fost identificate în di-

ferite organe şi ţesuturi şi unele fosfodiesteraze capabile să hidrolizele legăturile fosfodiesterice din 3’,5’-

mononucleotidele ciclice cu formarea nucleozid-5’-monofosfaţilor corespunzători.

Catabolismul bazelor azotate purinice şi pirimidinice

Bazele azotate rezultate în urma hidrolizei nucleotidelor şi nucleozidelor pot avea o soartă diferită,

în funcţie de necesităţile de moment ale celulei. Astfel, ele pot participa la biosinteza noilor nucleotide

sau pot fi degradate în continuare pe căi specifice.

Catabolismul bazelor azotate purinice

Degradarea bazelor azotate purinice debutează prin dezaminarea lor hidrolitică după care are loc

oxidarea produşilor de dezaminare cu formare de acid uric.

Adenina formează hipoxantina sub acţiunea adenin-dezaminazei, iar guanina trece în xantină în

urma acţiunii guanin-dezaminazei. Hipoxantina formată prin dezaminarea adeninei trece la rândul ei în

xantină sub acţiunea xantin-oxidazei care este o flavoproteină ce conţine cupru şi molibden şi care utili-

zează oxigenul molecular în calitate de agent oxidant:

N

N N

N

NH2

H

N

N N

N

OH

H

NH3H2O

Adenin-dezaminaza

Adeninã Hipoxantinã

H2N

N

N N

N

OH

H

OH

H

N

N N

N

HO

NH3H2O

Guanin-dezaminaza

Guaninã Xantinã

N

N N

N

OH

H

OH

H

N

N N

N

HO

H2O O2H2O2

Xantinoxidaza

XantinãHipoxantinã

11

Sub acţiunea aceleiaşi xantin-oxidaze, atât xantina provenită din adenină cât şi cea rezultată prin

dezaminarea guaninei, se oxidează în continuare la acid uric. Acidul uric reprezintă produsul final al cata-

bolismului bazelor azotate purinice la om şi la primate:

H

H2O O2H2O2

Xantinoxidaza

Xantinã

OH

H

N

N N

N

HO HO

OHN

N N

N

OH

H

N

N N

N

O

O

O

H

Acid uric

H

H

La mamiferele inferioare, la reptile, precum şi la unele moluşte, acidul uric se descompune în con-

tinuare sub acţiunea urat-oxidazei, trecând în alantoină:

N

N N

N

O

O

O

H

Acid uric

O2H2O2

CO2

2 H2O

Uratoxidaza

H

N N

N

O

O

O

H

NH2

H

H

AlantoinãH

H

La animalele inferioare, la unele microorganisme precum şi la multe plante superioare, alantoina

se degradează în continuare. La aceste organisme se întâlneşte enzima numită alantoinază care

hidrolizează alantoina cu formare de acid alantoic:

Alantoinã Acid alantoic

AlantoinazaN N

N

O

O

O

H

NH2

H

H

H2N – C – NH – CH – NH – C – NH 2

O = C – OH

IIO

IIO

H2O

Acidul alantoic este produsul final al catabolismului bazelor azotate purinice la unii peşti, unele

microorganisme şi la unele plante. La toate celelalte vieţuitoare, acidul alantoic se degradează în continu-

are datorită existenţei enzimei numite alantoicază care are capacitatea de a cataliza reacţia de hidroliză a

acidului alantoic cu formare de uree şi acid glioxilic:

Acid alantoic

H2N – C – NH – CH – NH – C – NH2

O = C – OH

IIO

IIO

Alantoicaza

H2O

H2N – C – NH2

IIO

HOOC – C = OIH

Uree Acid glioxilic

+

Ureea este produsul final al catabolismului adeninei şi guaninei la peşti, amfibieni, midii, unele

plante şi unele microorganisme. Majoritatea plantelor însă, precum şi unele microorganisme şi chiar ani-

male inferioare sintetizează ureaza, enzimă ce hidrolizează ureea cu formare de amoniac şi dioxid de car-

bon. De aceea, la aceste organisme, amoniacul reprezintă forma sub care se elimină azotul bazelor

purinice:

12

H2N – C – NH2

IIO

Uree

+

H2O

Ureaza2 NH3 CO2

Catabolismul bazelor azotate pirimidinice

Degradarea citozinei debutează prin dezaminarea sa hidrolitică sub acţiunea citozin-dezaminazei,

cu formare de uracil. În continuare, atât uracilul ca atare, cât şi cel provenit din citozină, este redus cu

formare de dihidrouracil care, sub acţiunea dihidrouracil-hidrolazei, trece în acid β-ureido-propionic:

H

N

NO

NH2

N

N

O

O

H

H

Dihidrouracildehidrogenaza

NAD(P)H+H +NAD(P)+

Citozinã Uracil

H2O NH3

Citozin-dezaminaza

DihidrouracilAcid β-ureido- propionic

N

N

O

O

H

H

Dihidrouracil- hidrolaza

H2O

H2N – C – NH – CH 2 – CH2 – COOH

O

Acidul β-ureido-propionic astfel rezultat este scindat hidrolitic sub acţiunea unei hidrolaze specifi-

ce cu eliberare de amoniac şi dioxid de carbon şi formare de β-alanină:

Acid β-ureido- propionic

β-Ureidopropionat- hidrolaza

β-Alaninã

H2N – CH 2 – CH 2 – COOHH2N – C – NH – CH 2 – CH 2 – COOH

O

H2O NH3CO2

Degradarea timinei se realizează pe o cale asemănătoare cu a celorlalte două baze azotate

pirimidinice, iar în calitate de produs final se formează acidul β-aminoizobutiric:

HN

N

CH3

H

O

O

HN

N

CH3

H

O

ONAD(P)H+H+ NAD(P)+

Dihidrotimin-dehidrogenaza

Timinã Dihidrotiminã

H2O

Dihidrotimin- hidrolaza

Acid β-amino- izobutiric

Acid β-ureido- izobutiric

H2O NH3CO2

Ureido-izopropionat- reductaza

H2N – C – NH – CH2 – CH – COOH

CH3O

H2N – CH2 – CH – COOH

CH3

13

β-Alanina şi acidul β-aminoizobutiric reprezintă produşii finali ai catabolismului bazelor azotate

pirimidinice. Amoniacul rezultat în urma degradării acestor baze azotate intră în ciclul ureogenetic şi se

elimină din organism sub formă de uree.

BIOSINTEZA ACIZILOR NUCLEICI

Datorită structurii deosebit de complexe a catenelor polinucleotidice, precum şi datorită rolului ju-

cat în stocarea şi transmiterea la urmaşi a informaţiei genetice, biosinteza acizilor nucleici reprezintă un

proces extrem de complicat, încă insuficient elucidat, ce se realizează în mai multe etape.

Biosinteza nucleozid-monofosfaţilor

În prima etapă a procesului de biosinteză a acizilor nucleici se realizează formarea mono-

nucleotidelor, aducă a unităţilor structurale monomere ce intră în structura catenelor polinucleotidice ale

acizilor nucleici (AMP, GMP, CMP şi UMP pentru acizii ribonucleici şi respectiv dAMP, dGMP, dCMP

şi dTMP în cazul biosintezei ADN-ului). Nucleozidmonofosfaţii se pot sintetiza atât de novo, din precur-

sori cu o structură chimică simplă, cât şi din bazele azotate libere formate în urma degradării parţiale a

acizilor nucleici. În anumite celule predomină una din aceste căi iar în altele biosinteza se realizează pre-

ponderent pe cea de a doua cale.

La mamifere, mononucleotidele se sintetizează preponderent de novo, deşi în ţesuturile cu creştere

rapidă sunt implicate ambele căi, în timp ce la multe specii bacteriene procesul biosintetic are loc prin uti-

lizarea bazelor azotate formate în urma degradării acizilor nucleici.

Biosinteza nucleotidelor purinice

Procesul de biosinteză a bazelor azotate purinice utilizează în calitate de prim precursor D-ribozo-

5-fosfatul care, în urma unei succesiuni de transformări enzimatice trece în acid inozinic. În etapa urmă-

toare, acidul inozinic este convertit în acid adenilic şi respectiv acid guanilic. Prima reacţie a căii de bio-

sinteză constă în interacţiunea ribozo-5-fosfatului cu o moleculă de ATP cu formarea fosforibozil-

pirofosfatului (PRPP). ATP-ul se scindează în AMP şi pirofosfat, iar acesta din urmă dă o reacţie de

pirofosforilare a ribozo-5-fosfatului sub acţiunea ribozofosfat-pirofosfat-kinazei:

α-D-Ribozo-5-fosfat α-5-Fosforibozil- pirofosfat

O

P – O – P – O

CH2 – O – PO

CH2 – O – P

Ribozofosfat-pirofosfat-kinaza

ATP AMP

Fosforibozilpirofosfatul format suferă apoi o aminare în poziţia 1 cu ajutorul grupei amidice din

glutamină, în prezenţa ionilor de magneziu, într-o reacţie de dublu schimb catalizată de o enzimă specifi-

că numită amino-fosforibozil-transferază. În urma acestei transformări se mai formează acid glutamic şi

pirofosfat, reacţia fiind înalt specifică deoarece radicalul pirofosfat din poziţia 1 a ribozei nu poate fi sub-

14

stituit cu nici un radical asemănător structural. La acest nivel al căii biosintetice are loc totodată şi con-

versia anomerului α al restului de riboză în anomer β:

α-5-Fosforibozil-pirofosfat 5-Fosforibozil-1-aminã

OH2N

O

P – O – P – O

CH2 – O – P

PPi

Amido-fosforibozil- transferaza

CH2 – O – PGln Glu

Mg2+

Fosforibozilamina rezultată suferă o reacţie de condensare cu glicocolul sub acţiunea fosforibozil-

glicinamid-sintetazei şi în prezenţă de ATP şi Mg2+ când se formează glicinamid-ribonucleotidul în care

legătura C — N ce uneşte restul de riboză cu cel de glicocol este sub forma anomerică β şi reprezintă vii-

toarea legătură glicozidică a nucleotidului ce urmează a fi sintetizat:

5-Fosforibozil-1-aminã Glicinamid-ribonucleotid

OH2N CH2 – O – P Mg2+

ATP ADP+Pi

Gly

Fosforibozil-glicinamid- sintetaza

OH2N – CH2 – CO – NH CH2 – O – P

Glicinamid-ribonucleotidul acceptă o grupare formil de la acidul N5,N10-metilen-tetrahidrofolic

dând naştere N-formil-glicinamid-ribonucleotidului:

N-formil-glicinamid-ribonucleotidul astfel rezultat este capabil să reacţioneze în continuare cu

glutamina, în prezenţa unei molecule de ATP în calitate de donor de energie şi sub acţiunea catalitică a

fosforibozil-glicinamid-transferazei cu formarea N-formil-glicinamidin-ribonucleotidului:

NC = O

NH

Ribozo- fosfat

OHI

IH

NC = O

NH

Ribozo- fosfat

HI

IH

HN

ATP ADP+PiGln Glu

Fosforibozil-glicinamid- transferaza

N-Formil-glicinamid- ribonucleotid

N-Formil-glicinamidin- ribonucleotid

Prin eliminarea unei molecule de apă şi cu ajutorul energiei din ATP se formează în continuare 5-

amino-imidazol-ribonucleotidul care, sub acţiunea fosforibozil-aminoimidazol-carboxilazei fixează o

moleculă de CO2 trecând în 5-amino-4-carboxi-imidazol-ribonucleotid. Sistemul enzimatic ce catalizează

Glicinamid-ribonucleotid

OH2N – CH2 – CO – NH CH2 – O – P Metilen-THF

THF

N-Formil-glicinamid-ribonucleotid

sau

OCH2 – O – PO = CH – NH – CH 2 – CO – NH N

C = O

NH

Ribozo- fosfat

OHI

IH

15

formarea acestui compus este alcătuit din două subunităţi ce pot cataliza conversia în etape a substratului,

ambele etape fiind dependente de energia din ATP:

Atomul de azot N1 al heterociclului imidazolic este introdus în continuare printr-o reacţie pe care o

dă 5-amino-imidazol-4-carboxi-ribonucleotidul cu acidul aspartic, când se formează 5 – amino – imidazol

– 4 – N – succino - carboxamido-ribonucleotidul. Pe parcursul acestei reacţii, care este activată în prezen-

ţa ionilor Mg2+, se consumă o nouă moleculă de ATP în calitate de donor de energie. Noul produs astfel

rezultat pune în libertate acid fumaric trecând în 5-amino-imidazol-4-carboxamid-ribonucleotid. Acesta

acceptă, în cursul unei reacţii catalizată de fosforibozil-aminoimidazol-carboxamid-formil-transferază, o

grupare formil de la formil-tetrahidrofolat, la nivelul grupării sale 5-amino, dând naştere precursorului

imediat al acidului inozinic, care este 5-formamido-imidazol-4-carboxamid-ribonucleotidul:

Penultimul produs al procesului biosintetic este supus apoi acţiunii IMP-ciclo-hidrolazei când are

loc o ciclizare prin eliminarea unei molecule de apă:

H2N – CO

N

N

Ribozo- fosfat

NHIC = OIH

5-Formamido--imidazol-4-carboxamid-ribonucleotid

H2O

IMP-ciclo-hidrolaza

HN

N N

N

Ribozo- fosfat

O

Acid inozinic (IMP)

Acidul inozinic este precursorul comun imediat, folosit în biosinteza nucleotidelor purinice Aceas-

ta înseamnă că adenina şi guanina nu se sintetizează sub formă liberă ci sub forma nucleotidelor cores-

punzătoare, adică acidul adenilic (AMP) şi respectiv acidul guanilic (GMP).

NC = O

NH

Ribozo- fosfat

HI

IH

HN

N-Formil-glicinamidin- ribonucleotid

ATP ADP+Pi

Mg2+

N

N

H2N

Ribozo- fosfat

5-Amino-imidazol- ribonucleotid

H2O

CO2

Fosforibozil-amino-imidazol-carboxilaza

5-Amino-imidazol-4-carboxi-ribonucleotid

N

N

H2N

Ribozo- fosfat

HOOC

5-Amino-imidazol-4-carboxi-ribonucleotid

N

N

H2N

Ribozo- fosfat

HOOCATP ADP+Pi

Mg2+

Asp

N

N

H2N

Ribozo- fosfat

COOHICH2ICH – NH – COICOOH

5-Amino-imidazol-4-N-succino- carboxamido-ribonucleotid

Fumarat

N

N

H2N

Ribozo- fosfat

H2N – CO

5-Amino-imidazol-4-carboxamid-ribonucleotid

Formil-THF

THF

H2N – CO

N

N

Ribozo- fosfat

NHIC = OIH

5-Formamido--imidazol-4-carboxamid-ribonucleotid

16

Biosinteza acidului adenilic se realizează prin reacţia acidului inozinic cu acidul aspartic cu forma-

re de acid adenilo-succinic. În această reacţie donorul de energie este GTP-ul, iar radicalul succinat este

fixat la nivelul atomului C6 al acidului inozinic. În continuare, acidul adenilo-succinic este transformat în

acid adenilic în urma eliminării unei molecule de acid fumaric:

Biosinteza acidului guanilic (GMP) decurge în două etape distincte. În prima fază, acidul

inozinic este dehidrogenat cu formare de acid xantilic, iar acesta din urmă este apoi aminat în faza urmă-

toare cu formare de acid guanilic. Spre deosebire de procesul de biosinteză a acidului adenilic, în acest

caz donorul de energie este reprezentat de către ATP:

Acid inozinic (IMP)

GTP GDP+P iAsp H2O

HN

N N

N

O

OCH2 – O – P

Acid adenilo-succinic

Fumarat

OCH2 – O – P

N

N N

N

HOOC – CH – CH 2 – COOHINH

Acid inozinic (IMP)

HN

N N

N

O

OCH2 – O – P

1/2 O2 H2O

Acid xantilic

HN

N N

N

O

OCH2 – O – PO

IH

ATP AMP+PPi

Gln Glu

H2N

HN

N N

N

O

OCH2 – O – P

Acid guanilic (GMP)

Acid adenilic (AMP)

N

N N

N

NH2

OCH2 – O – P

17

Nucleozid-trifosfaţii corespunzători (ATP şi respectiv GTP) se formează sub acţiunea

fosfokinazelor specifice (nucleozid-monofosfokinaza şi respectiv nucleozid-difosfokinaza). În aceste reac-

ţii ATP-ul joacă atât rol de donor de energie cât şi acela de donor de radicali ortofosfat:

Biosinteza nucleotidelor pirimidinice

Formarea nucleozidului, adică legarea componentei glucidice la nucleul pirimidinic are loc după

biosinteza acestuia din urmă, deci total diferit comparativ cu nucleozidele şi nucleotidele purinice.

Prima etapă a acestui proces constă în carboxilarea acidului aspartic în prezenţa carbamil-

fosfatului şi sub acţiunea specifică a aspartat-transcarbamilazei care este o enzimă reglatoare alosterică.

Acidul carbamil-aspartic este apoi convertit în acid L-dihidro-orotic prin deshidratare, sub acţiunea

dihidro-orotidazei. Dihidro-orotatul format este ulterior oxidat la acid orotic sub acţiunea dihidroorotat-

dehidrogenazei. În etapa următoare, acidul orotic reacţionează cu 5-fosforibozil-1-pirofosfatul, sub acţiu-

nea orotidin-5’-fosfat-pirofosforilazei cu formare de orotidil-5’-fosfat sau acid orotidilic (OMP):

+

Carbamil-fosfat Acidaspartic

Acid N-carbamil- aspartic

COOHICH2ICH – NH2ICOOH

H2N – C – O – P

HO

CH2

CH – COOH

N

H2N Aspartat-transcarbamilaza

IIO

C

C

IH

O

OP

COOH

H2O

Dihidroorotidaza

FAD FADH2

Dihidroorotat-dehidrogenaza

HN

N

IIO

O

H

Acidorotic

HN

N

IIO

O

H

COOH

Acid L-dihidro- orotic

PRPP PPi

Orotidin-5'-fosfat- pirofosforilaza

Orotidil-5'-fosfat (OMP)

HN

N

IIO

O

OCH2 – O – P

COOHCO2

Orotidilfosfat-decarboxilaza

AMP ADP ATP

ATP ADP ATP ADP

GMP GDP GTP

ATP ADP ATP ADP

18

Acid uridilic (UMP)

HN

N

IIO

O

OCH2 – O – P

Acidul uridilic ia naştere prin decarboxilarea acidului orotidilic. La rândul său, el poate fi ulterior

fosforilat cu formarea nucleozid-difosfatului şi a nucleozid-trifosfatului corespunzător, conform reacţiilor:

Acidul uridin-trifosforic (UTP) poate fi aminat la atomul C4 cu formare de acid citidin-5’-

trifosforic. Această reacţie este endergonică, având loc cu consum de ATP, iar donorul grupării aminice

este amoniacul la microorganisme, respectiv glutamina la mamifere:

Biosinteza deoxiribonucleotidelor

Deoxiribonucleotidele se sintetizează pe calea reducerii ribozei la 2-D-deoxiriboză la nivelul

ribonucleotidelor. Atât la Escherichia coli cât şi în celulele animale, în aceste reacţii sunt utilizate în cali-

tate de substrate ribonucleozid-difosfaţii. Hidrogenul necesar procesului de reducere provine de la

NADPH, prin intermediul unei proteine specifice numită tioredoxină ce conţine două resturi apropiate de

cisteină. Acestea pot trece reversibil din forma redusă în cea oxidată asigurând în felul acesta transferul

hidrogenului. Tioredoxina poate fi deci oxidată şi redusă reversibil, oscilând între formele disulfidică şi

respectiv ditiolică. Conversia tioredoxinei din forma oxidată în cea redusă este catalizată de tioredoxin-

reductază, o enzimă NADP-dependentă:

SH

SH

Tioredoxinã

S

S

Tioredoxinã

NADPH+H+ NADP+

Tioredoxin-reductaza

Tioredoxinã redusã

Tioredoxinã oxidatã

UMP

ATP ADP

UDP UDP UTP

ATP ADP

UTP

CTP-sintetaza

HN

NO

NH3(Gln)

H2O(Glu)

O

O

CH2 – O – P – O ~ P – O ~ P – OHIIO

IOH

IOH

IOH

IIO

IIO

CTP

INH2

O

N

NOCH2 – O – P – O ~ P – O ~ P – OH

IIO

IOH

IOH

IOH

IIO

IIO

19

Forma redusă a tioredoxinei transferă cei doi protoni ribonucleozid-difosfatului acceptor care trece

în deoxiribonucleozid-trifosfat, această reacţie fiind catalizată de ribonucleotid-reductază:

În afară de tioreductază, protonii pot fi cedaţi şi de către glutationul redus. Glutation-reductaza

catalizează în acest caz reducerea glutationului oxidat (deci forma disulfidică) cu ajutorul NADPH-ului.

În procesul transferulul hidrogenului de la glutationul redus la ribonucleotid-reductază intervine o nouă

proteină specifică numită glutaredoxină. Prin reducerea ADP, GDP, CDP şi UDP sub acţiunea catalitică

a sistemelor enzimatice specifice (ribonucleotid-reductaze) se formează deoxiribonucleotidele corespun-

zătoare (dADP, dGDP, dCDP şi dUDP). Deoarece în structura ADN-ului nu intră uracilul, este necesară

conversia acestuia în timină. Formarea deoxitimidin-monofosfatului (dTMP) se realizează fie pe calea

metilării dUMP care, la rândul lui, se obţine prin scindarea hidrolitică a dUDP, fie prin dezaminarea

dCMP. Reacţia de metilare a dUMP este catalizată de timidilat-sintetază, enzimă în care rolul de cofactor

este jucat de N5, N10-metilen-tetrahidrofolat:

dUMP dTMP

HN

N

Deoxiribozo- 5'-fosfat

O

O

CH3HN

N

Deoxiribozo- 5'-fosfat

O

O

Metilen-THF THF

Timidilat-sintetaza

Biosinteza nucleozid-difosfaţilor şi nucleozid-trifosfaţilor

Pentru a putea participa la biosinteza catenelor polinucleotidice ale acizilor nucleici,

ribonucleozid-monofosfaţii şi deoxiribonucleozid-monofosfaţii trebuie să fie activaţi sub forma

nucleozid-trifosfaţilor corespunzători. Reacţiile prin care se formează aceşti compuşi bogaţi în energie se

realizează cu participarea ATP-ului în calitate de donor de energie şi radicali ortofosfat şi sub acţiunea

catalitică a kinazelor specifice. Astfel, nucleozid-monofosfat-kinazele catalizează transferul unui rest

ortofosfat de la ATP la nucleozid-monofosfaţii corespunzători cu formarea nucleozid-difosfaţilor respec-

tivi. În continuare intervin nucleozid-difosfat-kinazele ce convertesc nucleozid-difosfaţii în nucleozid-

trifosfaţii necesari biosintezei ARN şi ADN.

SH

SH

Tioredoxinã

Tioredoxinã redusã

Ribonucleozid- difosfat +

Ribonucleotid-reductaza

S

S

Tioredoxinã

Tioredoxinã oxidatã

Deoxiribonucleozid- difosfat H2O++

20

Biosinteza propriu zisă a acizilor nucleici

În ultima etapă a biosintezei acizilor nucleici se realizează încatenarea nucleozid-trifosfaţilor în

polinucleotide. Acest proces se realizează în mod diferite pentru ARN şi ADN.

Biosinteza acizilor deoxiribonucleici

În celulele vii, macromoleculele de ADN se sintetizează din unităţile structurale de bază, adică din

deoxiribonucleozid-5’-monofosfaţii corespunzători activaţi sub formă de deoxiribonucleozid-5’-trifosfaţi.

În procesul biosintetic este implicată o enzimă înalt specifică numită ADN-polimeraza ce a fost evidenţia-

tă atât la eucariote cât şi la procariote. În afara celor patru nucleozid-trifosfaţi precursori (adică dATP,

dGTP, dCTP şi dTTP), ADN-polimeraza mai necesită prezenţa ionilor de Mg2+ şi a unei catene de ADN

cu rol de matriţă. Formarea legăturilor fosfodiesterice între resturile de deoxiribonucleotide se realizează

sub acţiunea ADN-polimerazei conform următoarei scheme:

ADN + x dATP + y dGTP + z dCTP + u dTTPADN-polimerazã

Mg2+

ADN — [dAMPx – dGMPy – dCMPz – dTMPu] + (x + y + z + u)PPi

Succesiunea încatenării deoxiribonucleotidelor este determinată de matriţa de ADN, mai exact de

succesiunea bazelor azotate purinice şi pirimidinice din aceasta. Deoarece în reacţia de mai sus participă

ca matriţă o catenă polinucleotidică preexistentă, biosinteza ADN-ului este un proces de tip replicativ

(sau de copiere) şi poartă numele de replicare a ADN-ului. Acest proces se realizează printr-un meca-

nism complex care presupune despiralizarea dublu-helixului, desfacerea legăturilor de hidrogen dintre

bazele azotate complementare (sau pereche) ale celor două catene şi separarea acestora în cel puţin o uni-

tate de replicare. În felul acesta, la nivelul punctului de replicare, molecula de ADN are aspectul literei

T, această structură fiind denumită bifurcaţie de replicare. Despiralizarea dublu-helixului de ADN în bi-

furcaţia de replicare necesită prezenţa aşa-numitelor proteine de dezrăsucire a ADN şi respectiv a enzi-

melor de desfăşurare sau de relaxare. Catenele complementare astfel separate vor servi drept matriţă

pentru formarea noilor molecule de ADN. În cadrul procesului biosintetic, elongarea catenelor de ADN se

realizează numai în sensul 5’→3’ pe calea legării radicalului ortofosfat din nucleozid-trifosfaţi cu grupele

–OH terminale ale catenelor polideoxiribonucleotidice aflate în creştere (fig. 1).

ADN-polimeraza catalizează formarea legăturii fosfodiesterice numai dacă deoxinucleozid-

trifosfatul respectiv este complementar cu baza azotată din matriţă conform regulilor de împerechere a

nucleotidelor în moleculele de ADN. Deoarece între bazele azotate purinice şi pirimidinice există o co-

respondenţă strictă, pe fiecare matriţă de ADN (deci pe fiecare din cele două catene polinucleotidice ale

moleculei mamă) se sintetizează o catenă nouă, complementară. În felul acesta, dintr-o moleculă de ADN

iau naştere două noi molecule absolut identice între ele şi identice cu molecula iniţială. Fiecare moleculă

nouă de ADN conţine o catenă polideoxiribonucleotidică veche (cea care a servit drept matriţă) şi o cate-

21

nă nou sintetizată. Din această cauză, procesul de biosinteză a ADN mai este cunoscut şi sub numele de

replicare semiconservativă a ADN-ului.

Fig. 1. Reacțiile de formare a legăturilor fosfodiesterice

Multe informaţii referitoare la mecanismul intim al replicării semiconservative a ADN-ului au

fost obţinute abia în ultimii ani. Cercetările efectuate pe diverşi mutanţi de Escherichia coli au condus la

constatarea că de fapt există trei AND-polimeraze distincte care au fost notate cu I, II şi III. Acestea cata-

lizează biosinteza ADN-ului din deoxinucleozidtrifosfaţi în prezenţa unei matriţe şi a unui poliribo-

nucleotid ce joacă rol de iniţiator (ARN- primer) al sintezei noii catene.

ADN-polimeraza I posedă atât activitate polimerazică cât şi activitate 3’→5’-exonucleazică, res-

pectiv 5’→3’-exonucleazică. Activităţile polimerazică şi respectiv 5’-→3’-exonucleazică ale ADN-

polimerazei I se pot manifesta coordonat în sensul că poate avea loc cataliza simultană a polimerizării

unui nucleotid la capătul 3’ într-o singură catenă ruptă a ADN-ului bicatenar. Din această cauză, activita-

tea 5’-→3’-exonucleazică joacă un rol foarte important în excizia dimerilor pirimidinici care se formează

în urma iradierii cu raze ultraviolete a moleculelor de ADN. Deci, ADN-polimeraza I poate juca un rol

esenţial în repararea ADN-ului. Activitatea 3’→5’-exonucleazică, corelată cu activitatea polimerazică a

ADN-polimerazei I poate cataliza excizia nucleotidelor neîmperecheate cu bazele azotate ale matriţei şi să

corecteze în felul acesta greşelile care au fost comise în timpul încatenării.

ADN-polimeraza II este foarte asemănătoare cu ADN-polimeraza I din punct de vedere structural

şi funcţional dar nu posedă activitate 5’→3’-exonucleazică.

ADN-polimeraza III are, de asemenea, unele trăsături comune cu ADN-polimeraza I dar este lip-

sită de activitate exonucleazică. La celulele de E. coli ea constituie adevărata ADN-polimerază, îndepli-

nind un rol esenţial în replicarea cromozomului bacterian.

Un interes deosebit a apărut în ultimul timp în legătură cu descoperirea în virusurile oncogene a

unei ADN-polimeraze-ARN-dependente care se mai numeşte revers-transcriptază. Această enzimă este

implicată în biosinteza ADN-ului prin utilizarea în calitate de matriţă a catenei de ARN. ADN-ul rezultat

OBazã

OH

CH2

IOI

Catenã nouã

..

OBazã

OH

CH2

IO

HO – P ~ O – P ~ O – P = OIIO

IIO

IIO

IOH

IOH OH

M

A

T

R

I

T

Ã

Catenã veche

ADN-polimeraza

PPi

M

A

T

R

I

T

Ã

Catenã veche

OBazã

OH

CH 2

IO

OBazãCH 2

IOI

Catenã nouã

HO – P = O

O

22

pe această cale poate servi drept matriţă pentru multiplicarea virusului sau se poate integra în genomul

celulei gazdă, reprezentând cauza apariţiei tumorilor. Transcrierea inversă reprezintă o violare a dogmei

centrale a biologiei moleculare, deoarece revers-transcriptaza condiţionează transferul informaţiei geneti-

ce de la ARN la ADN.

Mecanismul molecular al replicării ADN

Deoarece catenele din molecula parentală de ADN sunt antiparalele, structura unei catene este ori-

entată în direcţie 5’→3’, iar structura celeilalte catene în direcţia 3’→5’. Carena care, în bifurcaţia de re-

plicare are sensul 5’→3’ se numeşte catenă matriţă conducătoare, iar cealaltă (care are sensul 3’→5’)

reprezintă catena matriţă întârziată. Toate ADN-polimerazele realizează încatenarea mononucleotidelor

numai în sensul 5’→3’. Din această cauză, biosinteza ADN-ului se realizează în mod diferit pe cele două

catene matriţă. Astfel, pe catena matriţă conducătoare, biosinteza ADN-ului se face în mod continuu, în

direcţia 5’→3’, iar pe catena matriţă întârziată procesul se desfăşoară discontinuu, în fragmente scurte tot

în direcţia 5’→3’, fragmente ce se asamblează ulterior.

O serie de studii experimentale au demonstrat faptul că biosinteza ADN-ului pe catena matriţă în-

târziată debutează prin formarea unor poliribonucleotide scurte, ce conţin aproximativ 100 de

ribonucleotide, fragmente denumite ARN-primer. Enzima care catalizează biosinteza ARN-primer se

numeşte ARN-primază şi este o ARN-polimerază-ADN-dependentă care direcţionează biosinteza de la

capătul 5’ spre capătul 3’ în catena de ADN aflată în creştere. La capătul 3’– OH din ARN-primer, ADN-

polimeraza III sintetizează un fragment de ADN complementar catenei matriţă. Atunci când acest frag-

ment de ADN nou sintetizat ajunge la circa 1000 de deoxiribonucleotide (la eucariote aproximativ 200),

intervine ADN-polimeraza I care, posedând şi activitate 5’→3’-exonucleazică, hidrolizează şi îndepărtea-

ză ARN-primer din catena mixtă ARN–ADN. Îndepărtarea fragmentului de ARN din catena aflată în

creştere lasă anumite goluri între fragmentele de ADN care poartă numele de fragmente Okazaki (fig.2),

după numele autorului care le-a pus în evidenţă prima dată. Golurile dintre fragmentele Okazaki sunt apoi

completate datorită activităţii polimerazice a ADN-polimerazei I care alungeşte segmentele de ADN de la

capătul 3’ aflat mai aproape. În final, fragmentele de ADN astfel sintetizate pe catena întârziată se unesc

formând o copie complementară neîntreruptă a catenei matriţă de ADN.

••

5'

3'

o

5'

3'o oo

oooo

Helicaza

Proteinã

23

••

5'

3'

o

5'

3'o oo

oooo 3'

5'

•••5'

3'

ARN-primer

Catenã matritã întârziatã

FragmenteOkazaki

•••

Catenã matritãconducãtoare

••

5'

3'

oooo

oooo 3'

5'

5'

3'

Catenã matritã întârziatã

Catenã matritãconducãtoare

••• Punct de legare

Fragment de ADN dupãîndepãrtarea ARN-primer

••

5'

3'

oooo

oooo 3'

5'

5'

3'

Catenã matritã întârziatã

Catenã matritãconducãtoare

5'

3'

Legarea catenelor de ADNsub actiunea ADN-ligazei

Fig. 2. Reprezentarea schematică a biosintezei catenelor polideoxi-ribonucleotidice pe catena ma-

triţă conducătoare şi catena matriţă întârziată

Această asamblare are loc sub acţiunea ADN-ligazei, o enzimă ce catalizează formarea legăturilor

fosfodiesterice între fragmentele de ADN rezultate, pe seama energiei furnizate de NADH în celula bacte-

riană şi respectiv de ATP la bacteriofagi şi în celulele animale. După realizarea replicării intervine ADN-

giraza, enzimă ce conferă moleculelor de ADN nou sintetizate starea superspiralizată necesară îndeplinirii

rolului lor biologic. S-a demonstrat că procesul replicării semiconservative are un caracter universal, acest

mecanism fiind specific atât procariotelor cât şi eucariotelor. Prin intermediul acestui proces, informaţia

genetică este transmisă fidel celulelor fiice, fapt ce asigură atât continuitatea fenomenului ereditar cât şi

reproducerea organismelor vii. La eucariote, replicarea ADN-ului se realizează în etapa S din interfază,

iar la procariote ea este potenţial continuă, pe tot parcursul ciclului celular, în condiţii optime de cultivare.

Biosinteza acizilor ribonucleici

Toate cele trei tipuri de ARN celular (ARNm, ARNt şi ARNr) se sintetizează printr-un mecanism

complex cunoscut sub numele de transcrierea ADN. Acest proces constă în transmiterea informaţiei ge-

24

netice de la ADN la ARN pe calea reproducerii exacte a secvenţei deoxiribonucleotidelor din molecula de

ADN în succesiunea ribonucleotidelor din moleculele de ARN. Rolul principal în acest proces biosintetic

îl joacă enzima ARN-polimeraza-ADN-dependentă care necesită în calitate de substrate cei patru

ribonucleozid-5’-trifosfaţi (ATP, GTP, CTP şi UTP), a ionilor de Mg2+ şi Mn2+, precum şi prezenţa în ca-

litate de matriţă a ADN-ului dublu catenar. Reacţia generală catalizată de ARN-polimeraza-ADN-

dependentă poate fi redată schematic astfel:

x ATP + y GTP + z CTP + u UTPADN

Mg2+; Mn2+

AMP x – GMP y – CMP z –UMP u + (y + z + z + u) PP i

Biosinteza ARN-ului sub acţiunea ARN-polimerazei-ADN-dependente se desfăşoară în mai multe

etape: legarea matriţei, iniţierea transcrierii, elongarea, terminarea transcrierii.

Prima etapă (legarea matriţei) constă în interacţiunea ARN-polimerazei cu ADN-ul matriceal

când se formează un complex binar ce poate lega în continuare ribonucleozid-trifosfatul pentru a iniţia

sinteza lanţului polinucleotidic de ARN.

Deşi ARN-polimeraza manifestă afinitate pentru toate segmentele din molecula de ADN, ea se

ataşează stabil numai la nivelul anumitor fragmente ce aparţin uneia din cele două catene ale ADN-ului

matriţă. Aceste fragmente reprezintă semnale de start ale matriţei de ADN şi se numesc promotori. Pro-

motorii reprezintă fragmente cu până la 50 de nucleotide localizate imediat înaintea genei sau grupului de

gene a cărei informaţie genetică trebuie transcrisă în ARN.

ARN-polimerazele sunt molecule proteice mari, iar structura cuaternară a apoenzimei este de tipul

[αααα2ββββββββ’]δδδδ. Se presupune că această enzimă recunoaşte secvenţa nucleotidică a promotorului prin subunita-

tea δ.

Ataşarea ARN-polimerazei la promotor determină despiralizarea parţială a dublu-helixului de

ADN prin scindarea punţilor de hidrogen dintre bazele azotate complementare ale catenelor matriţei cu

formarea aşa-numitului complex deschis care este capabil să declanşeze biosinteza ARN-ului. Succesiu-

nea bazelor azotate din promotor nu este transcrisă în molecula de ARN nou sintetizată.

A doua etapă o reprezintă iniţierea biosintezei catenei de ARN sub acţiunea ARN-polimerazei

care debutează prin reacţia dintre ATP sau GTP cu o a doua moleculă de ribonucleozid-trifosfat cu forma-

rea unui dinucleotid care mai conţine un radical ortofosfat la capătul 3’:

P P P~ ~

X

OH

3'

5'

P P P~ ~OH

A sau G

+ADN

PPi

P P P~ ~

A sau G

OH

X

P

25

Imediat ce biosinteza catenei de ARN a început, subunitatea δ se desprinde din complexul format

cu ARN-polimeraza şi se poate ataşa la o altă moleculă de miez-enzimă sau polimerază minimală (care

are structura cuaternară de tipul α2ββ’). Catena polinucleotidică se lungeşte apoi sub acţiunea miez-

polimerazei.

Elongarea catenei de ARN se realizează prin legarea succesivă a câte unui nou ribonucleotid la

grupa –OH liberă din poziţia 3’ a dinucleotidului, respectiv polinucleotidului precedent.

Formarea legăturilor fosfodiesterice între ribonucleotide se realizează numai în direcţia 5’→3’,

ceea ce înseamnă că ARN-polimeraza începe să acţioneze la capătul 3’ al catenei de ADN ce urmează a fi

transcrisă. Aceasta înseamnă că matriţa şi transcriptul său sunt antiparalele. ARN-polimeraza primeşte

informaţia pentru biosinteza ARN-ului de la ADN-ul matriţă. Catena acestuia formează cu catena de

ARN aflată în creştere un hibrid molecular ADN – ARN temporar prin intermediul punţilor de hidrogen

ce se stabilesc între bazele azotate complementare. Deci, catena de ARN ce se sintetizează este comple-

mentară din punctul de vedere al structurii sale primare cu catena de ADN utilizată drept matriţă. La un

anumit nivel al genomului, numai una din catenele de ADN serveşte drept matriţă, cealaltă catenă nefiind

transcrisă. Aceasta înseamnă că transcrierea este un proces asimetric.

Terminarea transcrierii are loc atunci când în procesul de elongare este întâlnit de către comple-

xul ADN-matriţă – ARN nou format – ARN-polimerază un aşa-numit semnal de terminare care este re-

prezentat de un anumit bloc de baze azotate perechi din catena de ADN ce a servit drept matriţă. Cel mai

adesea, semnalul de terminare este de tipul:

T

A

.....T T T T

A A A A.....

În acest moment are loc eliberarea catenei de ARN nou sintetizată şi dezorganizarea complexului

de transcriere. Unele semnale de terminare sunt recunoscute de ARN-polimerază, iar altele de aşa-numitul

factor ρρρρ care este o proteină specifică cu masa moleculară de 200.000 Da. Din cele de mai sus rezultă că

biosinteza catenei de ARN are loc cu o despiralizare a dublu helixului de ADN în zona ce urmează a fi

transcrisă şi cu apariţia aşa-numitului ochi de transcriere.

Pe măsură ce transcrierea se desfăşoară, în urmă se reface structura dublu catenată a ADN-ului

transcris. Aceasta înseamnă că spre deosebire de replicarea ADN-ului, care este semiconservativă, trans-

crierea acestuia este un proces complet conservativ.

BIOSINTEZA PROTEINELOR

La baza procesului complex de biosinteză a proteinelor stă aşa-numitul principiu al sintezei com-

plementare pe matriţă, principiu ce se mai întâlneşte atât la replicarea ADN-ului cât şi la biosinteza

ARN-ului. În procesul de biosinteză a proteinelor se foloseşte drept matriţă ARNm, acesta fiind purtătorul

informaţiei genetice de la ADN la ribozomi, organite subcelulare ce reprezintă sediul biosintezei proteice.

Determinarea genetică a procesului biosintetic vizează structura primară a proteinelor nou sintetizate, adi-

că succesiunea resturilor de aminoacizi din catenele polipeptidice.

26

Codul genetic

Plecând de la faptul că în moleculele de ADN există patru tipuri de baze azotate, iar în structura

proteinelor intră de regulă 20 de aminoacizi, prin calcul matematic se constată că secvenţa nucleotidică

suficientă pentru codificarea unui aminoacid este reprezentată de o combinare de trei nucleotide adiacen-

te, aceasta primind numele de tripletă sau codon. Din cele patru nucleotide se pot forma C43 = 64 de tri-

plete diferite, fapt ce oferă posibilitatea codificării tuturor celor 20 de aminoacizi proteinogeni.

Aceiaşi informaţie, codificată însă sub forma tripletelor de deoxiribonucleotide, este conţinută şi

în catena de ADN care a servit drept matriţă la biosinteza ARNm. Din cei 64 codoni posibili, numai trei

dau semnalul de terminare a translaţiei şi anume tripletele UAA, UAG şi UGA, ele fiind denumite codoni

terminatori sau codoni non sens. Alţi doi codoni (AUG şi GUG) marchează debutul biosintezei catenei

polipeptidice, aceştia fiind denumiţi codoni de iniţiere sau codoni iniţiatori. Deoarece pentru codificarea

celor 20 de aminoacizi proteinogeni există 64 – 3 = 61 codoni, deci un număr triplu de posibilităţi, unii

aminoacizi pot fi codificaţi de doi sau chiar mai mulţi codoni, aceştia fiind cunoscuţi sub numele de

codoni sinonimi.

Biosinteza proteinelor

Procesul propriu-zis de biosinteză a proteinelor se realizează la nivelul ribozomilor în mai multe

etape: activarea aminoacizilor, iniţierea translaţiei, translaţia propriu-zisă, terminarea translaţiei şi modifi-

carea post-translaţională a proteinelor.

Activarea aminoacizilor. Biosinteza proteinelor este, poate, cel mai complex proces biochimic ce

are loc in vivo. Prima etapă a acestui proces biosintetic este reprezentată de etapa de recunoaştere. În

această etapă, fiecare aminoacid dizolvat în citosol recunoaşte prin intermediul unei enzime specifice

ARNt-ul său specific cu care formează un complex activ de tipul aminoacil-ARNt. Această recunoaştere

este înalt specifică în sensul că fiecărui aminoacid proteinogen îi corespunde un anumit ARNt şi se reali-

zează datorită înaltei specificităţi de substrat a enzimei ce catalizează această reacţie şi care se numeşte

aminoacil-ARNt-sintetaza. Această enzimă conţine trei situsuri de legare, din care două sunt înalt specifi-

ce: un situs de legare a aminoacidului, unul pentru ARNt şi al treilea situs (cu o specificitate mai largă)

pentru legarea ATP-ului. Formarea complexului aminoacil-ARNt debutează prin activarea aminoacidului

cu ajutorul energiei din ATP, procesul având loc sub acţiunea aceloraşi aminoacil-ARNt-sintetaze:

IR

Aminoacil-ARN t-sintetaza

Aminoacid Aminoacil-AMP (complex ES)

H2N – CH – COOHIR

E — [H 2N – CH – C ~ O – AMP]IIO

ATP PPi

Se formează deci complexul hiperreactiv dintre enzimă şi două din cele trei substrate, adică ami-

noacidul şi molecula de ATP. Acest complex interacţionează apoi cu cel de-al treilea substrat care este

ARNt-ul specific aminoacidului activat:

27

Aminoacil-AMP Aminoacil-ARNt

E — [H2N – CH – C ~ O – AMP]IIO

ARNt AMP Enzimã

IR

H2N – CH – C ~ ARNtIR

IIO

Sub această formă aminoacizii sunt apţi de a intra în procesul propriu-zis de biosinteză proteică.

Biosinteza propriu-zisă a proteinelor (translaţia). Complecşii aminoacil–ARNt sintetizaţi în ci-

toplasmă sunt transportaţi spre ribozomi unde are loc procesul propriu-zis de biosinteză a catenelor

polipeptidice ce vor alcătui viitoarele molecule proteice. Etapa ribozomală a biosintezei proteinelor poartă

numele de translaţie deoarece acest proces constă în traducerea (sau translarea) informaţiei genetice sto-

cată în succesiunea mononucleotidelor ce formează ARNm în succesiunea resturilor de aminoacizi din

proteina nou sintetizată. Translaţia informaţiei genetice din ARNm în structura primară a proteinelor se

realizează la rândul ei în trei etape distincte: iniţierea translaţiei, elongarea sau translaţia propriu-zisă,

terminarea translaţiei.

Iniţierea translaţiei. În această etapă are loc recunoaşterea semnalului de start din catena

polinucleotidică a ARNm,, asocierea subunităţilor robozomale, legarea complexului aminoacil–ARNt co-

respunzător la aceste subunităţi şi formarea complexului ribozomal activ. Alegerea complexului

aminoacil–ARNt corespunzător se face în funcţie de complementaritatea dintre bazele azotate ce intră în

alcătuirea punctului de start şi bazele azotate din anticodonul existent în ARNt. Existenţa punctului de

start strict localizat creează posibilitatea ca procesul biosintetic să înceapă de la o secvenţă strict determi-

nată a nucleotidelor din ARNm numită codon de iniţiere. Cel mai frecvent, codonul de iniţiere este

codonul metioninei, adică tripleta AUG.

În structura ribozomului se întâlnesc două situsuri specifice: situsul A, numit şi situs acceptor sau

situs aminoacilic și situsul P, numit şi situs donor sau situs peptidilic.

Iniţierea biosintezei proteice debutează prin

asocierea moleculei de ARNm la suprafaţa subunităţii

mici a ribozomului, într-un punct situat la aproximativ

10 nucleotide de capătul 5’ al catenei, deoarece „citi-

rea” programului genetic stocat în ARNm se face în sensul 5’→3’. În limitele unei subunităţi ribozomale

se pot încadra spaţial doar doi codoni. Formarea complexului ARNm – subunitate mică este declanşată de

aşa-numitul factor de iniţiere IF-3. La complexul binar astfel format se ataşează apoi complexul

aminoacil-ARNt iniţiator şi o moleculă de GTP, acest proces fiind dependent de factorul de iniţiere IF-2.

La procariote, complexul aminoacil-ARNt iniţiator este reprezentat de N-formil-metionil-ARNt, ceea ce

înseamnă că procesul biosintetic începe întotdeauna cu N-formil-metionina, iar la eucariote, procesul de

biosinteză a catenelor polipeptidice începe întotdeauna cu metionina.

Iniţiatorul se fixează în situsul P al ribozomului, moment în care anticodonul din molecula de

ARNt iniţiator se împerechează în mod specific (în funcţie de complementaritatea bazelor azotate) cu

situs A situs P

28

codonul AUG sau GUG din ARNm. Iniţierea se desăvârşeşte prin legarea subunităţii ribozomale mari cu

formarea ribozomului funcţional activ.

Elongarea catenei polipeptidice (translaţia propriu-zisă). Biosinteza oricărei catene polipeptidice

începe întotdeauna de la capătul N-terminal care este ocupat de N-formil-metionină la procariote, iar la

eucariote de metionină. La rândul ei, faza de elongare a catenei polipeptidice se realizează în trei etape

distincte: legarea următorului complex aminoacil-ARNt, transpeptidarea, translocaţia.

Prima etapă a elongării debutează cu stabilirea în situsul A al complexului aminoacil-ARNt co-

respunzător codonului liber din acest situs. Recunoaşterea acestui codon din ARNm se face datorită com-

plementarităţii bazelor sale azotate cu tripleta de baze azotate ale anticodonului din ARNt care transportă

aminoacidul specificat de acel codon.

A P

Aminoacil-ARN t I Aminoacil-ARN t II

ARNm

Datorită acestor complementarităţi între succesiunile de baze azotate ale codonului din ARNm şi

anticodonului din ARNt, succesiunea resturilor de aminoacizi din viitoarea catenă polipeptidică este deci-

să dinainte.

Transpeptidarea. După legarea celei de-a doua molecule de aminoacil-ARNt, se desfăşoară a do-

ua etapă a elongării care presupune sinteza legăturii peptidice între cei doi aminoacizi sub acţiunea

peptidil-transferazei:

După ce s-a format legătura peptidică, ARNt care a cedat aminoacidul rămâne încă în situsul P, iar

dipeptidil-ARNt format se află încă legat de situsul A.

Cea de-a treia fază a elongării o reprezintă translocaţia. Acest fenomen se realizează în prezenţa

factorului de elongare EF-G numit şi translocază şi constă în glisarea ribozomului de-a lungul moleculei

de ARNm, pe parcursul unei triplete. Factorul EF-G determină eliberarea moleculei de ARNt I din situsul

P. În momentul următor, în situsul P astfel eliberat se transferă dipeptidil-ARNt II. Se eliberează astfel

situsul A care, la rândul lui, este capabil să lege un nou aminoacil-ARNt.

Terminarea translaţiei. Finalizarea procesului de biosinteză a catenei polipeptidice are loc atunci

când complexul aminoacil-ARNt n ajunge la aşa-numitul codon de terminare sau codon non-sens. Există

trei codoni non-sens care stopează acest proces şi anume tripletele UAA, UAG şi UGA. Aceşti codoni îşi

manifestă rolul lor de stopare a elongării catenei polipeptidice datorită faptului că în citoplasmă nu există

nici un ARNt care să conţină anticodoni complementari cu codonii de terminare.

Aminoacil-ARN t I Aminoacil-ARN t II

ARN t I

Peptidil-transferazã

H2N – CH – C ~ ARN t I + H2N – CH – C ~ ARN t II IIO

IIO

IR1

IR2

Dipeptidil-ARN t II

H2N – CH – C – N – CH – C ~ ARN t IIIH

IIO

IIO

IR1

IR2

29

În urma interacţiunii specifice a factorului de eliberare cu codonul non-sens şi cu ribozomul, are

loc o modificare a specificităţii de acţiune a peptidil-transferazei din subunitatea mare a ribozomului. În

acest moment, enzima catalizează transferul restului peptidil din complexul peptidil-ARNt aflat în situsul

P pe molecula de apă:

Aceasta înseamnă că are loc hidroliza legăturii esterice dintre radicalul peptidil şi ARNt, iar în ur-

ma acestui proces catena polipeptidică nou sintetizată de detaşează de ribozom.

Acest mecanism al biosintezei catenelor polipeptidice demonstrează faptul că doar structura pri-

mară a proteinelor este codificată genetic. Nivelele superioare de organizare structurală ale proteinelor,

fiind condiţionate în mod direct de structura loc primară, se desăvârşesc post-translaţional datorită inter-

acţiunilor specifice dintre resturile de aminoacizi ce intră în alcătuirea catenelor polipeptidice respective.

Viteza de biosinteză a proteinelor este, în general, foarte mare. La bacterii de exemplu, se

încatenează între 20 şi 40 de aminoacizi pe secundă, iar la eucariote aproximativ un aminoacid pe secun-

dă. Această viteză crescută de încatenare poate fi explicată, printre altele, prin faptul că moleculele de

ARNm pot fi translate simultan de mai mulţi ribozomi. Complecţii activi formaţi din ARNm, doi sau mai

mulţi ribozomi şi catena polipeptidică aflată în creştere se numesc polisomi:

Catenãpolipeptidicã

ARNm

IIO

IR2

H2N – CH – CO – NH – CH – CO –.............–NH – CH – C ~ ARNt nIR1

IRn

IR1

H2N – CH – CO – NH – CH – CO–.......... – NH – CH – COOHIRn

IR2

H2O ARNt n

30

2. Metabolismul normal și patologic al glucozei și triacilglicerolilor

Glicoliza anaerobă a glucidelor (calea Embden – Meyerhoff – Parnas)

Funcţia principală a glucozei în organism este aceea de a servi drept sursă de energie metabolică.

Eliberarea energiei încorporate în molecula de glucoză se realizează fie parţial, prin degradarea sa la

piruvat, fie total, prin oxidare la dioxid de carbon.

Oxidarea glucozei până la piruvat presupune parcurgerea glicolizei – cale metabolică elucidată de

către Embden, Meyerhoff şi Parnas. Piruvatul rezultat în glicoliză este oxidat în continuare până la dioxid

de carbon prin antrenarea sa în ciclul Krebs, în condiţiile în care ţesuturile dispun de oxigen sau este redus

la lactat, în condiţiile în care aportul de oxigen este scăzut.

Secvenţa glicolitică se desfăşoară în citosol şi presupune următoarele transformări catalizate enzi-

matic:

– conversia glucozo – 6 – fosfatului la fructozo – 6 – fosfat;

– fosforilarea fructozo – 6 – fosfatului;

– scindarea fructozo – 1,6 – difosfatului;

– oxidarea fosforilantă a gliceraldehid – 3 – fosfatului;

– transformarea 3 – fosfogliceratului în piruvat;

– obţinerea acidului L – lactic.

Însumând toate transformările ce au loc se obţine următoarea reacţie globală pentru glicoliză:

C6H12O6 + 2ATP + 2 H3PO4 + 2 ADP → 2 acid lactic + 4 ATP

Aceasta înseamnă că randamentul energetic al degradării glucozei până la acid lactic este de 2

moli ATP.

Schematic, calea de degradare anaerobă a glucidelor prin glicoliză poate fi redată astfel:

31

Fermentaţia glucidelor de către microorganisme

Prin fermentaţie se înţelege procesul complex de degradare anaerobă a glucidelor de către micro-

organisme în scopul obţinerii energiei necesare proceselor lor fiziologice.

În funcţie de natura produsului final care predomină cantitativ în mediul de fermentaţie şi care ca-

racterizează procesul, există mai multe tipuri de fermentaţie:

– alcoolică, rezultă etanol;

– lactică, rezultă acid lactic;

– acetică, rezultă acid acetic;

– citrică, rezultă acid citric, etc.

Fermentaţia alcoolică este realizată de drojdii şi unele bacterii care metabolizează glucoza cu

formare de alcool etilic şi CO2. Materia primă este reprezentată de glucoza liberă din sucurile de fructe,

glucoza obţinută din maltoză şi zaharoză sau din amidon, ultimul fiind supus mai întâi zaharificării cu

32

ajutorul amilazelor. Deoarece levurile nu conţin amilaze, mediul de fermentaţie se suplimentează cu malţ

(orz încolţit) sau preparate amilazice izolate din ciuperci. Maltoza formată din amidon sub acţiunea ami-

lazelor este scindată apoi în glucoză de către maltaza din levuri. Fermentaţia alcoolică decurge după un

mecanism care este identic până la etapa de formare a acidului piruvic inclusiv, cu secvenţa reacţiilor din

glicoliză. Spre deosebire de glicoliză, acidul piruvic în fermentaţia alcoolică este supus decarboxilării ire-

versibile în acetaldehidă sub acţiunea piruvatdecarboxilazei care are drept coenzimă TPP. În etapa finală

alcooldehidrogenaza reduce cu ajutorul NADH acetaldehida în alcool etilic.

Tulburările metabolismului glucidelor se manifestă sub forma a două sindroame:

- hiperglicemia;

- hipoglicemia.

Factorii hiperglicemianţi:

- glucagonul - hormon al celulelor alfa ale pancreasului

- adrenalina

- hormonii glucocorticoizi ai suprarenalei

- hormonul somatotrop al hipofizei

- tiroxina

Factorii hipoglicemianţi:

- insulina - hormoni ai celulelor beta ale pancreasului.

Formarea corpilor cetonici

Sub denumirea generică de "corpi cetonici" sunt cuprinse mai multe substanţe, dintre care 3 au

importanţă fiziologică şi patologică la om: acetona, acidul beta hidroxibutiric (acidul cetohidroxibutiric)

şi acidul acetil acetic. Aceşti trei compuşi sunt capabili să determine în organism o acidoză metabolică

endogenă (pH-ul sângelui scade sub normal), numită cetoacidoză sau acidocetoză. Excesul corpilor ceto-

nici din sânge conduce la eliminarea lor prin urină şi prin aerul expirat (cetoacidoză gazoasă).

Între corpii cetonici există o strânsă legătură:

Corpii cetonici odată formaţi, se acumulează în sânge (cetonemie) până la un anumit prag, peste

care se elimină odată cu urină (cetonurie). O caracteristică a acestor substanţe, constă în volatilitatea lor,

astfel încât, dacă se instalează cetoacidoza, prezenţa lor în urină, în aerul expirat sau în transpiraţie, poate

fi semnalată prin miros, simţindu-se ca oţetul sau ca merele stricate. Cetonemia şi cetonuria, în faza inci-

33

pientă, nu produc acidoză metabolică (cetoacidoză), deoarece organismul dispune de sisteme tampon pen-

tru neutralizarea excesului moderat de acizi.

Corpii cetonici se formează în organismul uman și animal, în cantitate mică, ca un proces fiziolo-

gic normal sau în cantitate mare, în cazul unui metabolism dereglat. Compuşii care pot genera corpi ceto-

nici în corp, poartă denumirea de substanţe cetoformatoare. Substanţele cetoformatoare nu creează pro-

bleme, decât atunci când metabolismul nu se poate desfăşura corect, astfel încât organismul se încarcă cu

produşi intermediari de acest fel, care produc acidocetoza. Corpii cetonici formaţi, în afara unor dereglaje,

sunt eliminaţi, în parte prin urină, iar cei rămaşi sunt utilizaţi în neosinteze, de obicei în sinteza glucidelor.

Acumularea în exces a corpilor cetonici, apare deci, fie ca o consecinţă a unei catabolizări defec-

tuoase a acizilor graşi (vezi soarta lipidelor în organismul omului), fie ca o nevoie stringentă a organismu-

lui în a sintetiza glucoză pe baza resturilor de lipide, cele două aspecte, fiind de cele mai multe ori inter-

dependente. Trebuie subliniat faptul că nu toţi cataboliţii care conduc spre acidoză sunt corpi cetonici, pe

de-o parte şi că întotdeauna cetoacidoza îşi are originea în tulburările metabolismului intermediar, pe de

ală parte. Principala substanţă care se opune formării corpilor cetonici în organismul uman este insulina.

Decarboxilarea oxidativă a acidului piruvic

În majoritatea celulelor vegetale şi animale, precum şi la unele microorganisme, acidul piruvic se

degradează prin decarboxilare oxidativă cu formare de acetil – CoA. Acest proces este catalizat de un

complex multienzimatic numit piruvatdehidrogenază, format din trei enzime şi cinci coenzime: piruvat-

dehidrogenaza, dihidrolipoil-transacetilaza, dihidrolipoil-dehidrogenaza şi respectiv tiaminpirofosfatul,

acidul lipoic, coenzima A, nicotinamidadenindinucleotidul (NAD) şi flavinadenindinucleotidul (FAD).

Reacția globală este următoarea:

Ciclul Krebs (ciclul acizilor tricarboxilici, ciclul acidului citric)

Ciclul acizilor tricarboxilici reprezintă o succesiune de reacţii prin parcurgerea căreia fragmentul

acetil – CoA este oxidat până la dioxid de carbon. Etapele ciclului au fost postulate şi demonstrate ulterior

de către Hans Krebs care, cu câţiva ani înainte, elucidase etapele procesului de ureogeneză.

Cele două molecule de dioxid de carbon care se formează la fiecare tur al ciclului rezultă prin

scindarea restului acetil din acetil – CoA. Funcţionarea continuă a ciclului Krebs este condiţionată de

reoxidarea celor trei molecule de NADH şi FADH2 în lanţul respirator, cu producerea de ATP. La nivelul

mitocondriilor, pentru fiecare moleculă de NADH se formează trei molecule de ATP, iar un mol de

FADH2 generează doi moli de ATP. Ciclul acizilor tricarboxilici este strict aerob, în timp ce glicoliza se

poate desfăşura atât în condiţii aerobe cât şi anaerobe. Bilanţul energetic al ciclului Krebs arată că prin

degradarea restului acetil pe această cale se formează 12 moli de ATP:

34

Gluconeogeneza

Gluconeogeneza reprezintă procesul de formare a glucozei în organismul animal din componente

neglucidice. Componentele neglucidice pot fi: diferiţi aminoacizi proveniţi din proteinele din hrană, glice-

rolul care rezultă în urma degradării lipidelor şi care se transformă în triozofosfat pentru a putea participa

la gluconeogeneză sau diferite molecule rezultate din catabolismul aerob sau anaerob al glucozei.

Astfel, în condiţiile în care organismului nu i se asigură cantitatea necesară de glucide, acesta are

posibilitatea de a transforma alte biomolecule în glucide, care sunt transportate apoi spre ţesuturile care au

absolută nevoie de acestea, ţesuturile glucodependente: ţesutul nervos, muscular sau eritrocitele.

Gluconeogeneza poate fi considerată o inversare a glicolizei, pentru că dacă se porneşte de la aci-

dul lactic (obţinut prin glicoliză) rezultă glucoză.

Schematic, gluconeogeneza poate fi redată astfel:

35

Astfel, acidul lactic, aminoacizii sau glicerolul se pot transforma în glucide. Acestea vor fi prelua-

te de circuitul sanguin, unde asigură glicemia sau se poate stoca în ficat sau mușchi sub formă de glico-

gen.

Biosinteza glicogenului - glicogenogeneza

Glicogenul se sintetizează în ficat din glucoza adusă pe cale sanguină în prezenţa unei enzime: gli-

cogen sintetaza. Glucoza participă la biosinteză sub formă activată de UDP-glucoză.

Pentru biosinteza glicogenului, în ficat trebuie să existe fragmente de glicani (cel puțin maltoză)

aşa numitul “poliozid primar”. Acesta s-a format din glicogen prin hidroliză, sub acţiunea unor amilaze

speciale. Prin stabilirea legăturilor glicozidice între poliozidul primar şi molecula de glucoză transportată

de UDP, acesta va creşte, formându-se în final glicogenul. Formarea glicogenului este stimulată de hor-

monul hipoglicemic, deci de insulină.

Structura puternic ramificată a glicogenului este asigurată de prezenţa unei enzime, numită enzimă

de ramificaţie. Pornind de la un poliozid conţinând n resturi de glucoză, prin reacţia acestuia cu o molecu-

lă de glucoză va rezulta un poliozid conţinând (n+1) rest de glucoză:

Poliglucid (n) + glucoză –―˃ Poliglucid (n+1)

Procesul continuă prin atașarea succesivă a noi resturi de glucoză:

Poliglucid (n+1) –―˃ Poliglucid (n+2)

Glicogenul format se stochează în ficat, unde va constitui rezerva de glucoză a organismului.

Catabolismul triacilglicerolilor

Triacilglicerolii (trigliceridele) ca formă de depozitare a excesului caloric al organismului se gă-

sesc în cantităţi apreciabile în ţesutul adipos. Un adult normal (bărbat de 40 de ani şi 70 de kg) cuprinde

15 kg ţesut adipos (135 kilocalorii). Energia potenţială a acilglicerolilor este cuprinsă în catenele bogate

36

în hidrogen ale resturilor acil. În ţesuturi catabolismul triacilglicerolilor are loc în etape, până la formarea

de glicerol şi acizi graşi corespunzători care se absorb la nivelul peretelui intestinal.

Procesul este catalizat de către lipază, enzimă întâlnită atât la plante, microorganisme cât şi în ţe-

suturile animale. La animale lipidele sunt mai întâi emulsionate sub acţiunea sărurilor biliare din bilă ceea

ce determină creşterea suprafeţei de contact dintre cele două faze.

Catabolismul glicerolului

Glicerolul este component al gliceridelor şi fosfogliceridelor. Liber se formează prin hidroliza ti-

sulară a trigliceridelor. Pentru ca glicerolul să reintre în fluxul metabolic el este mai întâi fosforilat la gli-

cerol – fosfat sub acţiunea glicerol kinazei:

glicerol glicerol-fosfat

CH2 OH

CH OH

CH2 OH

CH2 OH

CH OH

CH2 O Pglicerol-kinază

ATP ADP

Această enzimă este foarte activă în ficat, dar este practic absentă în adipocite. Glicerolul format

în ţesutul adipos difuzează în plasmă de unde este captat de ficat care îl utilizează după conversie în glice-

rol – fosfat.

Glicerol–fosfatul mai poate fi obţinut din glucoză, mai exact din dihidroxiaceton – fosfat, inter-

mediar al glicolizei anaerobe, prin reacţia reversibilă:

37

După condiţiile specifice fiecărui ţesut, glicerol – fosfatul poate evalua pe următoarele căi metabo-

lice:

– poate fi transformat în trigliceride sau fosfogliceride;

– după conversia sa într-un triozofosfat (dihidroxiaceton – fosfat şi 3 – gliceraldehid – fosfatul) poate

urma calea glicolitică degradativă şi apoi oxidare completă la dioxid de carbon şi apă; ca triozofosfat poa-

te fi substrat gluconeogenetic.

Catabolismul acizilor graşi

Degradarea acizilor graşi se face pe mai multe căi. Cea mai importantă este β-oxidarea care repre-

zintă procesul de degradare completă cu formare de dioxid de carbon, apă şi energie. Această cale de de-

gradare a fost postulată prima dată în 1904 de către Franz Knopp. Hrănind animalele de experienţă cu fe-

nil – derivaţi ai acizilor carboxilici cu până la cinci atomi de carbon în moleculă, autorul studiază metabo-

lismul acestor substanţe urmărind produşii ce apar în urină. El constată că derivaţii cu număr impar de

atomi de carbon au fost oxidaţi la acid benzoic, iar cei cu număr par de atomi de carbon dau acid fenil –

acetic.

Din aceste experimente Knopp trage concluzia că degradarea acizilor graşi are loc cu desprinderea

treptată a unor fragmente cu doi atomi de carbon. Mecanismul β-oxidării a fost clarificat cu aproape ju-

mătate de secol mai târziu când Lynen reuşeşte să izoleze din drojdii acetil – CoA. El conchide că degra-

darea acizilor graşi prin β-oxidare se realizează prin clivarea unor fragmente cu doi atomi de carbon sub

formă de acetil – CoA.

Procesul β-oxidării acizilor graşi se realizează în mai multe etape. Prima etapă o reprezintă activa-

rea acizilor graşi prin formarea unor complecşi cu CoA. Reacţia de activare este catalizată de enzime spe-

cifice numite tiokinaze sau acil – CoA – sintetaze.

La rândul ei, etapa de activare cuprinde două faze: mai întâi acidul gras interacţionează cu ATP –

ul formând un produs intermediar – acil - adenilatul.

După etapa de activare, complecşii acil – CoA astfel formaţi pătrund în mitocondrii unde se reali-

zează degradarea propriu-zisă.

Transformările ce urmează sunt ciclice, la fiecare ciclu desprinzându-se câte doi atomi de carbon

sub formă de acetil – CoA, iar noul acil – CoA ce este mai scurt deci cu doi atomi de carbon, reia un nou

ciclu de transformări.

Reacțiile ce au loc pot fi reprezentate astfel:

38

Biosinteza triacilglicerolilor

Acest proces biosintetic poate utiliza în calitate de precursori glicerolul şi acizii graşi preexistenţi,

adică rezultaţi în urma hidrolizei lipidelor sau se poate realiza de novo prin utilizarea unor produşi inter-

mediari ai metabolismului glucidic.

Atunci când acizii graşi rezultaţi prin hidroliza lipidelor sunt insuficienţi, ei se sintetizează prin

utilizarea în calitate de precursori a acetil – CoA. Calea de biosinteză a triacilglicerolilor poate fi redată

schematic astfel:

39

Biosinteza acizilor graşi

Biosinteza acizilor graşi are loc în ţesutul adipos, ficat şi glanda mamară şi se poate desfăşura pe

două căi: calea malonil-CoA şi calea elongaţiei.

Calea malonil-CoA are loc în citoplasmă şi porneşte de la acetil-CoA, care reacţionează cu CO2

şi formează malonil-CoA. Aceasta este foarte reactivă şi reacţionează cu un acid gras activat, preexistent

în mediul de reacţie:

Compusul rezultat va fi implicat în reacţii care constituie o cale inversă β-oxidării şi în urma că-

rora acidul gras preexistent şi-a mărit catena cu doi atomi de carbon. Aceste reacţii sunt:

▪ dehidrogenare,

▪ deshidratare,

▪ hidrogenare.

40

Calea elongaţiei are loc în mitocondrii şi porneşte de la un acid gras inferior, aflat în stare activa-

tă şi acetil-CoA. Cei doi componenţi se vor cupla sub acţiunea acidului gras sintetazei, iar compusul for-

mat, pe o cale inversă β-oxidării va forma un acid gras cu doi atomi de carbon mai mult decât cel iniţial.

Patologia metabolismului lipidic

Metabolismul lipidic, desfășurat în majoritatea organelor și ţesuturilor, este controlat de factori neuro-

endocrini. Orice modificare patologică a ciclului metabolic, determină apariţia unor afecţiuni cu manifes-

tări grave pentru organism.

Astfel, diabetul zaharat este generat de dezechilibrul balanţei glucidice, dar și a celei lipidice.

Ateroscleroza apare datorită unor tulburări în structura și depozitarea lipidelor. Hepatitele acute și croni-

ce, pancreatitele, sindromul nefrotic, obezitatea etc. fac parte din patologia metabolismului lipidic.

Plasma conţine complexe lipoproteice, în structura cărora se găsesc triacilglicerolii, colesterolul, fo-

sfolipidele și, uneori, acizii graşi liberi. În funcţie de raportul în care se află lipidele comparativ cu protei-

nele, în structura complexelor lipoproteice, se disting:

• LP cu densitate mare (high density lipoprotein-HDL): 1,21-1,063;

• LP cu densitate scăzuta (low density lipoprotein-LDL): 1,063-1,006;

• LP cu densitate foarte mica (verry low density lipoprotein-VLDL): 1,006-0,94;

• Chilomicroni : 0,94-0,90.

Formele de hipo- și hiperlipoproteinemii, cauza multor afecţiuni grave, se datorează variaţiilor canti-

tative ale acestor complexe lipoproteice.

Depozitarea anormală a lipidelor în diverse organe și ţesuturi (mai ales a celui nervos), cunoscută sub

numele de lipidoze, conduce la maladii extrem de grave pentru organism. Apariţia lipidozelor se datorea-

ză unor perturbări în activitatea enzimatică a metabolismul lipidic.