CELULA (CITOLOGIA VEGETALA)

Celula este unitatea structurala si functionala a organismelor vii.

Membrana

Organite citoplasmatice

Nucleu                                                                

Vacuole

Citoplasma

Cloroplaste

Rolul fiecarei componente celulare

Citologia (de la cuvantul grecesc kytos = cavitate si logos =vorbire, stiinta) este un vechi capitol al anatomiei plantelor care se ocupa cu studiul celulei sub raportul structurii si ultrastructurii acesteia pana la nivel molecular si submolecular.

Celula vegetala se deosebeste de cea animala prin urmatoarele caracteristici:

- peretele celular are o consistenta rigida, substanta de baza fiind celuloza (care nu se intalneste decat in regnul vegetal);

- gradul de diferentiere este mai mic, din care cauza exista mai putine tipuri morfologice de celule;

- cresterea este mai intensa, celula ajungand la dimensiuni mai mari;

- celulele au o oarecare independenta chiar si atunci cand sunt grupate in tesuturi;

- prin cresterea in lungime se formeaza un vacuom dezvoltat in care are loc o diferentiere a osmozei si o generalizare a curentilor citoplasmatici;

- in unele celule vegetale exista posibilitatea sintezei primare autotrofe si de inmagazinare a energiei chimice datorita activitatii plastidelor (mai ales a cloroplastelor);

- celulele vegetale (prin aportul de substante minerale si azot) pot realiza proteosinteza primara.

1.1.1. FORMA CELULEI VEGETALE

Aspectul celulei este diferit dupa rolul fiziologic pe care il indeplineste, dupa pozitia ocupata in diferite tesuturi, dupa mediul in care se gaseste, diferentierea morfofunctionala constatandu-se atat la aceeasi planta, cat si intre plante.

In situatia celulelor libere, forma acestora depinde de lipsa sau existenta memebranei. Daca membrana lipseste, forma este instabila, schimbandu-se des; celulele poarta numele de gimnoplaste. Daca celula poseda membrana, forma lor va fi stabita, mai mult sau mai putin sferica si se numesc dermatoplaste.

1.1.2. MARIMEA CELULEI VEGETALE

Dimensiunile celulelor vegetale obisnuit sunt mici sau foarte mici, find vizibile (cu rare exceptii, ca fibrele textile de in si canepa ce ajung la 6-7 cm lungime, apoi firele de bumbac, celulele din pulpa fructelor de citrice etc.) numai la microscop.

ORGANITELE CELULARE

Celula vegetala este protejata la exterior de un perete dur pectocelulozic, constituent fara viata, care lipseste insa la zoospori, anterozoizi, o parte din alge si ciuperci. Constituentii cu viata (protoplastul) sunt reprezentati de citoplasma, nucleu, plastide, condricsomi, reticul endoplasmatic, ribosomi, dictiosomi, lizosomi.

1.1.3.1. PARAPLASMA (constituenti fara viata).

Constituentii fara viata ai celulei vegetale pot fi permanenti sau numai temporari.

Peretele celular

Peretele celular este un produs al protoplastului, fiind posibila formarea lui si in cazul celulelor lipsite de acest constituent (gimnoplastele), in stari speciale, cand trec de la activitate la latenta, prin inchistare.

In celulele vii mature, peretele este lipsit de citoplasma. Odata ce continutul celular moare, peretele nu mai ramane decat sa indeplineasca un rol mecanic.

Celulele se alatura unele de altele in tesuturi, printr-o substanta pectica intercelulara numita lamela mediana, la locul de unire a mai multor celule diferentiindu-se cate un spatiu intercelular sau meat.

Pe toata suprafata peretelui se observa din loc in loc niste portiuni mai putin ingrosate - punctuatiuni - reprezentand locurile de legatura intre celulele vegetale care se stabilesc prin plasmodesme - structuri fibrilare microscopice de origine endoplasmatica ce strabat punctuatiunile asigurand conductibititatea, sensibilitatea si oarecum circulatia substantebr nutritive.

Din punct de vedere chimic este de precizat ca membrana celulei vegetale are la baza in principal celuloza care este asociata cu alte substante (hemiceluloza, substantele pectice, lignina, mucilagiile).

Celuloza este un polizaharid solid, amorf, inodor, insipid, insolubil in apa si in solventii organici, solubil in acizii minerali tari, partial in hidroxizi alcalini care confera fibrelor de celuloze un luciu caracteristic.

Celuloza, prin existenta ei sub forma microfibrilara, joaca rolul mecanic de 'schelet' al membranei celulare.

Hemiceluloza este o substanta care provine din condensarea moleculelor de arabinoza, xiloze (pentoze), manoza, galactoza, glucoza (hexoze) si acid glicuronic.

Hemiceluloza se gaseste si ca substanta de rezerva (in endospermul semintelor de cafea si de lupin sau in samburii fructelor de curmal).

Substanle pectice (pectoze si pectine) sunt polizaharide care se gasesc in toate celulele vegetale, la cele tinere reprezentand componentul principal care asigura legatura dintre membranele alaturate. Se gasesc cateodata si in sucul vacuolar al fructelor.

Pectinele sunt solubile in apa dand solutii coloidate (la cald); prin racire si in mediu acid formeaza geluri transparente. Pectinele stau la baza prepararii gemurilor si a marmeladei in industria alimentara.

Pentru medicina, substantele pectice sunt importante intrucat se pot utiliza ca hemostatice.

Lignina este un polimer avansat al derivatilor fenil propanici; substanta se gaseste in toate plantele incepand cu pteridofitele, fiind la fel de raspandita ca si celuloza (nu este intalnita la plantele inferioare - alge, ciuperci, licheni).

Lignina se gaseste in tesutul lemnos si in cel mecanic, asigurand rezistenta fizica a plantelor.

Gumele si mucilagiile sunt polizaharide neomogene care apar in regnul vegetal ca exsudate ale peretetui celular sau ca substante vacuolare. Ele sunt produse de degradare ale constituentilor peretilor celulari.

Gumele sunt produse vegetale exsudative, cleioase, de natura patologica, avend rol de protectie a locuritor traumatizate.

Dintre mucilagiile obtinute de la plantele inferioare cu utilizari industriale si medicale se pot aminti agar - agarul, carrageenul (din alge rosii) si acidul alginic sub forma de alginati.

Mucilagiile se formeaza prin gelificarea straturilor externe ale peretetui celular, de asemenea si la nivelul straturilor medii, interne si chiar ale intregii membrane. La semintele de Linum usitatissimum, celulele epidermale se imbiba cu apa, se umfla si ajung se devina un gel care preseaza cuticula, pe care o rupe, mucilagiul depunandu-se ca un strat mai mult sau mai putin omogen la suprafata.

Ceara este o substanta grasa care impregneaza membrana externa a unor celule epidermice, fiind un produs de exsudatie al citoplasmei. Se poate observa la suprafata fructelor (mere, pere, prune, struguri, etc), a frunzelor (ficus, brad etc) sau a tulpinilor (de exemplu trestia de zahar), dand un aspect lucios mai ales dupa lustruire.

Incluziunile ergastice solide

Incluziunile acestea sunt produse de excretie sau de rezerva care se gasesc in citoplasma in urma activitatii vitale a protoplastului. Ele pot avea o structura cristalina sau necristalina.

Amidonul este substanta de rezerva caracteristica regnului vegetal. Dupa locul de depozitare poate fi un amidon autohton sau de asimilatie, format in cloroplastele celulare si un amidon de migratie (de rezerva) depozitat in alte organe (rizomi, bulbi, seminte, tubere ptc).

Forma amidonului este specifica, recunoscandu-se usor planta producatoare. Se intalnesc forme rotunde, ovale, lenticulare, poliedrice etc.

Continutul in amidon (la toate plantele fotosintetizante) este variabil. Cel mai mult se afla in orez (70 - 80 %), apoi in grau (63 - 67%), porumb (60 - 66 %), fasole (42-43 %)si cartof (13-25 %).

Amidonul are o deosebit de mare importanta practica deoarece el reprezinta alimentul de baza si sursa energetica principala a plantelor si animalelor. Are mare valoare economica pentru industria hartiei, textile, a alcoolului etc. In industria farmaceutica este folosit ca excipient pentru prepararea comprimatelor si drajeurilor. Se mai utilizeaza in dermatologie si cosmetica.

Aleurona, de natural proteica, se gaseste mai ales in semintele plantelor oleaginoase, in plastidele bogate in albumine. Este considerata ca material nutritiv de rezerva. Apare sub forma de granule cu marimi variabile.

Aleurona se coloreaza cu eozina in rosu si cu solutia Lugol in galben - portocaliu

Cristalele minerale , cele mai importante fiind acelea de oxalat de calciu, sunt formatiuni inerte care rezulta in final din activitatea de metabolism.

Marimea si forma cristalelor sunt foarte variate, cele mai mari fiind izolate, iar cele mici si foarte mici fiind unite in conglomerate alcatuind asa - zisul nisip cristalin.

Lucrare: Membrana nucleara Proiect: Pancreasul endocrin - capilare si acini serosi

Incluziunile ergastice lichide

Acestea cunt reprezentate de vacuolele celulare, care la un loc formeaza vacuomul celular, caracteristic regnului vegetal.

Vacuolele se evidentiaza la inceput in celulele tinere ca niste minuscule picaturi, cu vascozitate mare, care, mai tarziu, odata cu maturizarea celulei, devin mai fluide si se unesc intre ele. La celulele batrane, se constata numai o vacuola mare, centrala, care impinge citoplasma spre periferie.

Vacuolele contin un suc celular (vacuolar), care este o solutie cu diverse substante anorganice si organice.

Sub raport chimic, sucul celular este deosebit de bogat in substante. Se pun in evidenta acizi anorganici (formic, ascorbic, malic - din mere, afine etc -, citric - din lamai, portocale etc) liberi sau combinati, care determina in mod obisnuit un pH acid.

Glicozizii, cunoscuti si sub denumirea de heterozide, sunt substante formate dintr-o componenta zaharata -glucona - care poate fi glucoza, digitoxoza, ramnoza, zaharoza etc. si aglucona sau genina, cu o structura chimica foarte diferita (fenoli, alcooli, antrachinone, steroli etc).

In medicina, glicozizii sunt frecvent utilizati pentru actiunea lor cardiotonica, purgativa, etc.

Saponinele au o structura asemanatoare glicozizilor, uneori insotindule pe acestea (de exemplu saponinele din frunzele de Digitalis sp). Saponinele spumifica prin agitatie cu apa datorita scaderii tensiunii superficiale si emulsioneaza grasimile; determina reactia neutra sau slab acida; sunt toxice pentru homeoterme datorita inducerii hemolizei.

Taninurile cunt abundente in scoartele unor arbori, in fructele necoapte, in unele formatiuni patologice (probabil) aparute mai ales pe frunze - gale - ca urmare a intepaturilor unor himenoptere (Cynips tinctoria). Precipita proteinele, proprietate folosita in procesul de tabacire a pieilor; de asemenea precipita unii alcaloizi, pentru care motiv, in medicina, taninurile sunt intrebuintate ca antidoturi. Precipitarea proteinelor de suprafata la nivelul mucoaselor este reversibila, fenomen care explica actiunea astringenta, antidiareica, hemostatica, antiseptica etc.

Alcaloizii sunt substante azotate, cu importante proprietati terapeutice, raspanditi sub forma de saruri ale acizilor organici (oxalati, citrati etc) sau combinati cu taninurile (tanati).

Pigmentii vegetali au structuri chimice diferite. Cei antocianici sunt constituiti dintr-o catena glucidica si o parte specifica denumita antocianidina (aglucona). Se intalnesc des la plantele superioare dand coloratia rosie sau albastra a unor flori, a unor fructe (visine, struguri negri, afine etc), a unor radacini (sfecla rosie) si a unor frunze (varza rosie).

In medicina, pigmentii antocianici sunt utilizati ca hemostatici capilari, asigurand starea normala a peretilor vasculari.

Cat priveste pigmentii flavonici constituie pigmentii galbeni ai plantelor. Sunt localizati in frunze, flori, fructe, in unele scoarte si radacini.

In medicina se intrebuinteaza pentru protectia vaselor mici.

Antibioticele sunt intalnite la plantele inferioare de tipul bacteriilor, actinomicelor si ciupercilor; fitoncidele sunt tot substante antimicrobiene, dar existente la plantele superioare.

Uleiurile volatile apar in citoplasma, fie in unele tesuturi speciale. Uleiurile eterice sunt destul de utilizate in medicina, atat intern cat si extern, sub forma de ape aromatice, spirturi, etc, in calitate de substante corective, bacteriostatice ale mucoaselor etc.

Uleiurile grase, in mod obisnuit se gasesc in semintele oleaginoase ale unor plante.

Se cunosc uleiuri sicative care in strat subtire se transforma intr-o pelicula elastica, transparenta, insolubila. Dar, majoritatea uleiurilor grase sunt nesicative (de exemplu uleiul de floarea soarelui, de masline), fiind utilizate la prepararea unor solutii injectabile, ca laxative, purgative etc, de asemenea in industrie si in alimentatie.

1.1.3.2. PROTOPLASTUL (constituenti cu viata)

Prin protoplast se intelege totalitatea constituentilor vii ai celulei.

In privinta compozitiei chimice a protoplastului, se poate spune ca aceasta este cat se poate de variabila de la o planta la alta, de la un organ la altul, de la o celula la alta si chiar la nivel subcelular, in functie de starea fiziologica.

Apa. Cantitatea este foarte variabila in functie de numerosi factori (varsta, stadiul de dezvoltare, specie, etc).

Substantele macromoleculare sunt formate din molecule mai simple - monorneri - care prin polimerizare determina aparitia de dimeri, trimeri si polimeri (daca polimerii sunt diferiti, apar heteropolimeri).

Protidele (substantele proteice sau proteinele) sunt cele mai importante substante macromoleculare, cu o valoare biologica extraordinara, datorita faptului ca ele reprezinta baza chimica a vietii.

Protidele determina proprietatile fizico-chimice ale protoplastului.

Cele mai mici forme structurale de alcatuire ale proteinelor, suportul specificitati biologice, sunt acizii nucleici.

Peptidele sunt substante cu numar mic de aminoacizi. Pot fi oligopeptide (in molecule cu pana la 10 aminoacizi) si polipeptide (cu aproximativ 100 aminoacizi).

O importanta mare au monopeptidele (aminoacizii), monomeri de structure ai protidelor, compusi cuaternari care se formeaza in celula vegetala prin procesul de proteosinteza primara.

Lipidele (fipoidele sau grasimile). Prin combinarea cu moleculele proteice se formeaza lipoproteidele care intra in alcatuirea plasmalemei si tonoplastului (membrane plasmatice), astfel delimitandu-se suprafetele de contact dintre citoplasma si mediu sau dintre citoplasma si vacuole.

Glucidele (zaharurile) sunt substante cu un deosebit rol metabolic, sintetizate initial prin procesul de fotosinteza de catre plantele autotrofe. Sunt surse energetice pentru metabolismul celular, suport structural pentru membrane si formatoare de incluziuni ergastice (graunciori de amidon).

Enzimele pot fi libere in celula, localizate in unele structuri celulare sau adsorbite de unele proteine; cand sunt libere, enzimele favorizeaza reactiile de degradare, iar cand sunt adsorbite ele induc reactiile de sinteza.

In privinta actiunii lor, acestea au o specificitate care poate fi absoluta (enzima lucreaza asupra unui substrat) sau relativa (enzima catalizeaza transformarea mai multor substraturi). De fapt enzimele nu actioneaza independent, ci in asociatie, in sistemele multienzimale (o organizare supramoleculara a lor in vederea catalizarii unor procese vitate de baza, de exemplu ciclul sintezei produsilor intermediari din mecanismul fotosintezei sau ciclul lui Krebs de oxido-reducere a hidratilor de carbon in mecanismul respiratiei).

Vitaminele au adesea asemanari cu enzimele si cu hormonii: cu enzimele, deoarece multe vitamine participa structural in calitate de coenzime, iar cu hormonii pentru ca actioneaza prin catalizarea unor reactii, pentru ca sunt termostabile ca si ei si pentru ca unele glande cu secretie interna acumuleaza anumite vitamine; numai ca mai trebuie specifcata si opozitia fata de hormoni (biocatalizatori endogeni) prin aceea ca vitaminele sunt biocatalizatori exogeni. In functie de solubilitatea lor in apa sau in grasimi sau solventii acestora, vitaminele se impart in hidrosolubile si liposolubile.

Hormonii vegetali (fitohormonii) sunt biocatalizatori care se comporta ca niste substante de crestere.

Sunt doua grupe de hormoni vegetali: de crestere embrionara si de crestere prin intindere a plantelor superioare.

Hormonii de crestere embrionara induc marirea masei citoplasmatice din celulele tinere. Se intalnesc nu numai la plante (la majoritatea tor), ci si la unele celule animale.

Hormonii de crestere, prin intindere, a plantelor superioare sunt mai de curand descoperiti, desi s-a banuit prezenta lor chiar de catre Darwin. Ulterior, Boysen-Jensen Went, Holodnii si altii, in 1910, au descris la ovaz substantele numite auxine. Ele nu sunt singulare, ci mai multe la un loc si se noteaza cu literele alfabetului latin.

1.1.3.2.1. Citoplasma

Citoplasma este un sistem coloidal complex, la microscopul optic aparand translucida, hialina; reprezinta constituentul de baza al protoplastului, care cuprinde in suspensie componentele vii si fara viata ale celulei vegetale.

Citoplasma nu este uniforma, ci granulara datorita prezentei plastidelor, mitocondriilor, ribozomilor, etc.

Daca se indeparteaza constituentii celulari, prin ultracentrifugare diferentiata, ramane o substanta omogena, esentiala pentru celula vie numita hialoplasma (citoplasma fundamentala, matricea citoplasmatica).

Membranele plasmatice. Citoplasma este limitata spre membrana celulara de o pelicula foarte fina numita plasmalems (ectoplasma) si in spre vacuole de tonoplast, ambele cu o constitutie trilamelara (doua mai dense si opace si o a treia, intre ele mai clara). In plus, tot la categoria membranelor plasmatice, intra si sistemul intracitoplasmatic complex constituit din reticulul endoplasmatic, aparatul reticular al lui Golgi si lizozomii, membranele plasmatice participand chiar si la formarea organitelor clasice (nucleu, condriozomi, plastide etc).

1.1.3.2.2. Nucleul

Este unul din cei mai importanti constituenti celulari. Nucleul este inclus in citoplasma si in caz ca celula este vie se distinge cu greutate, devenind mai vizibil abia dupa moatea ei (prin fixare si colorare). Faptul ca nu se observa bine in celula vie se datoreaza indicelui de refractie care este ceva mai mare decat cel al citoplasmei.

Forma nucleului depinde de forma si activitatea metabolica a celulelor. Astfel in celulele de tip prozenchimatic, nucleul este ca un bastonas (Chara sp), filiform (Lycoris sp), semilunar (Tradescantia sp), lobat (Aloe sp), la celulele parenchimatice este sferic (Neottia sp), ovoidal, discoidal sau turtit (la celulele batrane) etc, la celulele stomatice este ovoid cand stomata este deschisa si fuziform cand este inchisa (Dahlia variabilis) etc.

In privinta dimensiunilor, nucleul poate avea diametrul de aproximativ 0,5 microni (la ciuperci), 2-80 microni (la alge) si mai rar 500-600 microni (ca in cazul gimnospermului Dioon edule).

Nucleolul poate fi vazut la microscopul fotonic.

Plastidele sunt organite vii fotosintetizatoare proprii celulelor vegetale, totalitatea plastidelor din citoplasma alcatuind plastidomul.

Plastidele lipsesc la bacterii si la alge albastre (dintre plantele inferioare) si la unele plante saprofite si parazite (dintre plantele superioare). Se pot deosebi, dupa categoria de pigmenti existenti, plastide colorate, cu rol sintetizator propriu-zis (cloroplastele), tot aici facand parte si cromoplastele, dar fara rol in asimilatia clorofiliana si plastide incolore (leucoplastele sau

amiloplastele).

Cloroplatele ("graunciori de clorofila') sunt cele mai importante plastide: se gasesc la toate plantele verzi, normal luand nastere in partile organelor expuse luminii. Forma lor, la plantele superioare, este ovala, lenticulara, mai rar sferica, ele fiind mici (intre 3-10 microni lungime, 1-3 microna grosime) si in numar foarte mare (20-50) in fiecare celula.

La plantele inferioare, dimpotriva, se intalnesc cloroplaste mari, insa in numar mic. ca niste panglici, stele etc si mai ales pe suprafata lor se observa niste granule de natura proteica numite corpi pirenoizi, in jurul carora se depoziteaza amidon.

Clorofila, substanta verde, se extrage din frunze cu ajutorul alcoolului etilic. Pigmentii cterofilieni (clorofilele A si B) au o structura porfirinica, molecula find destul de asemanatoare cu hemoglobina, adica poseda un nucleu tetrapirolic, in mijloc existand un atom de magneziu (la hemoglobina fier) cu legated coordinative si covalente.

Clorofila are un rol biologic exceptional (in procesul de fotosinteza); in industrie pentru proprietatile de colorant, iar in medicina, sub forma de saruri hidrosolubile, numite clorofiline; clorofilina de sodiu intra in componenta unor produse farmaceutice care se utilizeaza ca dezodorizant, cheratoplastic, bacteriostatic etc.

Cromoplastele sunt organite vii ale celulei, colorate diferit, de la rosu la galben, datorita pigmentilor din grupa carotinoidetor, predominand carotina. xantofila, apoi licopina (rosie) etc, care sunt inglobati in aceste formatiuni.

Cromoplastele nu sunt decelabile la toate plantele si nici in toate organele aceleasi plante.

La unele flagelate si alge verzi microscopice (plante inferioare), pigmentii carotinoidici constituie o formatiune fotosensibila - stigma - care le asigura orientarea fototactica.

Leucoplastele sunt plastide incolore (lipsite de pigmenti) care se intalnesc in parenchimurile de rezerva, in celulele din organele subterane ale vegetalelor, in albumenul semintelor si in partite nesupuse direct luminii solare. Leucoplastele se formeaza din cloroplaste, prin pierderea capacitatii de fotosinteza sau din proplastide in urma unor modificari de structura. Forma lor este sferica, ovoidala sau alungita.

Acizi nucleici

Acizii nucleici sunt compusi macromoleculari cu structura complexa si mase moleculare cuprinse intre cateva zeci de mii si milioane. Sunt, impreuna cu proteinele, componentele nucleoproteidelor, compusi de importanta biologica, existenti in celulele vii. Dupa provenienta lor, respectiv dupa materialele din care au fost extrase, acizii nucleici erau considerati de doua tipuri: acizi timonucleici (acizi nucleici din timus sau acizi nucleici animali) si acizi zimonucleici (acizi nucleici din drojdie sau acizi nucleici vegetali). Intrucat s-a constatat ca deosebirea dintre ei consta in natura componentului glucidic (acizii timonucleici contin in molecula lor dezoxi-D-riboza, iar acizii zimonucleici contin D-riboza), denumirile lor au fost inlocuite cu denumirile de acizi dezoxiribonucleici (ADN), si acizi ribonucleici (ARN). Cercetari ulterioare au dovedit, insa, ca aceste doua tipuri de acizi nucleici sunt prezente in toate organismele vii, avand rol important in desfasurarea proceselor vitale normale si patologice; acizii dezoxiribonucleici sunt substantele de baza in aparatul genetic, care asigura ereditatea si variabilitatea, pe cand acizii ribonucleici au mai mult rol functional legat de sinteza proteinelor.

ADN

ADN-ul reprezinta materialul genetic din care sunt alcatuite genele majoritatii organismelor si este localizat exclusiv in cromozom; fiecare cromozom contine cate o molecula de ADN. Rezulta din polimerizarea unor monomeri denumiti dezoxiribonucleotizi. Prezenta in cromozom a ADN-ului a fost relevata de chimistul german R.Feulgen, in 1924, prin utilizarea unui colorant vital -fuxina bazica- care coloreaza rosu-violaceu cromozomii; substanta din cromozomi, care reactioneaza specific cu colorantul, era ADN.

James Watson si Francis Crick, au facut cunoscut un model al moleculei de ADN pentru care au primit Premiul Nobel (in 1962). Modelul se bazeaza pe combinarea a patru nucleotizi. Fiecare nucleotid consta dintr-un radical fosforic monoacid, o pentoza (dezoxiriboza) si o baza azotata (una din urmatoarele patru): adenina(A), guanina(G), -A si G sunt baze purinice- timina(T), citozina(C) - T si C sunt baze pirimidinice.

Combinatia dintre o baza si o pentoza se numeste dezoxiribonucleosid, iar combinatia celor trei componente dezoxiribonucleotid.

ADN-ul ca si ARN-ul consta dintr-un lant lung de molecule de zahar, cu o nucleotida atasata-un inel de atomi de carbon si azot. ADN-ul prezinta doua lanturi lungi unite intr-o spirala, cu nucleotidele in interior, asa incat intreaga molecula gigantica are aspectul unei scari rasucite(v.anexa1).

Secvente de trei nucleotide de pe lanturile ADN-ului formeaza un cod special care stabileste ordinea in care sunt legati aminoacizii pentru a forma molecule de proteine. Acesta este cunoscut sub numele de cod genetic. Unii aminoacizi sunt codificati prin mai mult de un triplet. Deoarece proteinele sunt moleculele de constructie ale organismului si, ca si enzimele, controlorii sai metabolici, codul ADN stabileste cum arata, creste si functioneaza corpul. In concluzie, ADN-ul este materialul genetic al corpului.

Legatura dintre pentoza si una din bazele azotate este N-glucidica. La dezoxiribonucleosidele purinice legatura N-glucidica se formeaza intre pozitia N₉ a heterociclului dublu purinic si pozitia C₁ a pentozei, iar la nucleosidele pirimidinice legatura se realizeaza intre pozitia N₃ a nucleului pirimidinic si pozitia C₁ a pentozei. Aditionarea radicalului fosforic se realizeaza, obisnuit, prin intermediul pozitiei 5' a nucleosidului. Astfel rezulta nucleotizii, care sunt esteri ai acidului fosforic cu nucleosidele. Atat conectarea bazelor cu pentoza, cat si a nucleosidului cu acidul fosforic se realizeaza prin pierderea unei molecule de H₂O. Fiecare radical fosforic al unui nucleotid poate, prin gruparile acid libere, sa se lege fie cu un radical fosforic, fie cu un alt nucleotid prin pozitia 3' a dezoxinucleosidului. In primul caz, dezoxinucleotizii pot aparea sub forma de monofosfat, difosfat sau trifosfat. In functie de numarul grupelor fosfat si de baza din constitutia nucleotidului, dezoxinucleotizii monofosfat se numesc: adenozin 5'-fosfat (AMP), guanozin 5'-fosfat (GMP), citidin 5'-fosfat (CMP) si timidin 5'-fosfat (TMP);dezoxinucleotizii difosfati: ADP, GDP, CDP si TDP, dezoxinucleotizii trifosfati:ATP, GTP, CTP si TTP. In al doilea caz, dezoxinucleotizii se leaga unul de altul prin legaturi fosfodiesterice astfel: primul nucleotid, prin grupul fosfat la nivelul unei grupari acid libere, se leaga de nucleotidul adiacent inferior prin pozitia 3', iar de nucleotidul adiacent superior prin pozitia 5' etc. In acest fel, intre nucleotizi se stabileste o legatura in zigzag. Se formeaza astfel un lant polidezoxiribonucleotidic cu o lungime variabila. Aceasta este stuctura primara a ADN sau monocatenara. Obisnuit, molecula de ADN este constituita din doua lanturi polinucleotidice sau doua catene: aceasta este structura secundara. Analiza chimica a aratat ca exista o relatie de 1:1 intre adenina (o purina) si timina (o pirimidina) si intre citozina (o pirimidina) si guanina (o purina). O asemenea relatie nu exista intre cele doua purine sau intre cele doua pirimidine. Legatura dintre cele doua catene se realizeaza prin punti de hidrogen intre perechi de baze situate la acelasi nivel in cele doua catene: doua punti de hidrogen intre adenina si timina A=T si T=A si trei punti intre guanina si citozina. Faptul ca la acelasi nivel aditionarea radicalului fosforic la dezoxiriboza este diferita (intr-o catena la pozitia 3', iar in catena complementara la pozitia 5') a dus la concluzia ca cele doua catene sunt indreptate in directii opuse. Prin urmare cele doua catene complementare au o orientare spatiala inversa sau antiparalela. Studiul structurii moleculei de ADN a relevat faptul ca bazele azotate sunt asezate spre interior, perpendicular pe axa principala lunga, la o distanta una de alta de 3,4A. Deoarece unghiul intre doi nucleotizi apropiati ai aceleiasi catene este de 36^o, structura se repeta la fiecare 10 nucleotizi, adica la 34A. Dubla spirala helicoidala coaxiala are un diametru de 20A. Molecula de ADN are dimensiuni foarte mari (fiind cea mai mare macromolecula biologica), cu o greutate moleculara care poate ajunge la 12 si 16*10⁶. Majoritatea moleculelor de ADN au o rasucire a helixului la dreapta ("forma B de ADN"); exista insa si molecule cu o rasucire a helixului spre stanga: Z-ADN.

Insusirea genetica continuta intr-o molecula de ADN aste determinata de insusirea perechilor de baze de-a lungul moleculei. Cum numarul secventelor posibile de baze este egal cu 4ⁿ, unde n este egal cu numarul de nucleotizi per catena, se ajunge la un numar astronomic de variante posibile de informatie genetica. In timpul replicarii cele doua catene ale moleculei de ADN se separa enzimatic, fapt ce permite sinteza unor catene complementare noi pe matricele reprezentate de cele doua monocatene vechi. Rezulta astfel doua bicatene de ADN identice. Bicatenele de ADN se pot separa -denatura- prin expunere la temperaturi apropiate de punctul de fierbere si la pH extrem (pH<3 si pH>10) si se pot combina -renatura- formand helice duble native prin expunerea monocatenelor complementare la temperatura de aproximativ 65^oC.   

ARN

Complex macromolecular, structural si functional, similar in anumite privinte, ADN-ului. ARN-ul rezulta din polimerizarea unor ribonucleotizi, care determina formarea unor lanturi lungi, monocatenare (structura primara). Pe anumite portiuni monocatena de ARN se poate rasuci in jurul ei, determinand aparitia unei structuri duble intre secventele complementare de baze (structura secundara). Polimerizarea implica patru tipuri de ribonucleotizi legati impreuna prin legaturi fosfodiesterice in pozitiile 3'-5'. Componentul pentozic al ARN-ului este riboza, iar bazele azotate sunt: adenina, guanina, citozina si uracilul. Sunt doua clase de ARN si anume: ARN genetic care controleaza ereditatea la unii virusi, alta, ARN negenetic care este implicata in sinteza substantelor proteice(v. Sinteza proteinelor).

ARN negenetic implicat in sinteza proteinelor sau ARN celular. Exista trei tipuri de acid ribonucleic celular prezente in toate celulele, si care, avand structuri si functii diferite , joaca un rol esential in biosinteza proteinelor. Aceste tipuri sunt : acidul ribonucleic mesager-mARN, acidul ribonucleic solubil sau de transfer-sARN sau tARN si acidul ribonucleic ribozomal-rARN(v.anexa2). In celule se gaseste o mare cantitate de rARN (80-90% din ARN-ul celular) o cantitate oarecare de sARN(10-15%) si o cantitate mica de mARN(mai putin de 5%).

ARN mesager. mARN este sintetizat in timpul transcriptiei mesajului genetic de pe o catena de ADN si serveste ca tipar pentru sinteza proteinelor. A fost gasit in stransa legatura cu ADN-ul cromozomal. mARN are urmatoarele caracteristici: este foarte repede sintetizat, are o singura catena, complementara uneia dintre catenele ADN-ului propriu, la nivelul careia a fost sintetizat. In mARN mesajul este inscris codificat in codoni care contin triplete de baze azotate (ribonucleotizi). La capatul 3', moleculele de mARN contin o secventa de acid poliadenilic-poly-A (intre 70-250 nucleotizi). Aceste "cozi" poly-A sunt adaugate posttranscriptional. Terminatia 5' a mARN-urilor sunt blocate prin aditia unor capete de m⁷ Gppp (7-metilguanozine reziduale legate de mARN prin legaturi trifosfat).

ARN solubil, de transfer sau adaptor. sARN-ul sau tARN-ul este similar ca structura cu orice acid ribonucleic. Este caracterizat printr-o slaba polimerizare , are rolul de a activa enzimele din citoplasma. Apoi reactioneaza cu aminoacizii specifici -prin formarea gruparilor aminoacil-sARN- care sunt transferati la locul de biosinteza a proteinelor: complexe mARN-ribozomi sau poliribozomi. Anumite parti din catena de sARN, constituite din serii scurte de nucleotizi, reprezinta bazele complementare ale codului mARN pentru un aminoacid caracteristic. In asemenea portiuni reprezentate de tripleti de baze, denumite anticodoni, sARN-ul diferitelor specii este identic. Faptul ca in citoplasma exista toti sau aproape toti cei circa 20 de aminoacizi proteici, presupune ca trebuie sa existe un numar de minimum 20 de tipuri de sARN, cate unul pentru fiecare aminoacid (maximum 64, cati codoni se pot forma de cele patru baze azotate). Moleculele de sARN constau dintr-o singura catena, alcatuita din 75-80 de ribonucleotizi. La un capat al catenei (capatul 5') se gaseste acid guanilic (G), iar la capatul 3' se gaseste un triplet format din bazele CCA (citozina-citozina-adenina). Intre bratul scurt, cu G, si bratul lung la nivelul primului nucleotid C, se formeaza punti de hidrogen. Regiunile bicatenare includ trei bucle monocatenare intermediare. Regiunea de curbura a lantului polinucleotidic reprezinta celalalt capat al moleculei de sARN. Curbura este constituita dintr-un segment de trei nucleotizi necomplementari, deci legati prin punti hidrogenice. Acest triplet de baze a capatat denumirea de anticodon tocmai pentru a indica complementaritatea lui fata de codonii mARN.

ARN ribozomal. Una din caracteristicile principale care deosebeste rARN de celelalte tipuri de ARN consta in aceea ca el apare intotdeauna legat de proteine. Lantul rARN-ului este constituit atat din portiuni monocatenare cat si din portiuni bicatenare helicoidale cu bucle monocatenare. In lantul polinucleotidic al rARN-ului raportul molar intre bazele azotate componente este in favoarea bazelor purinice. Astfel continutul in adenina/uracil=21:19, guanina/citozina=36:25, iar raportul general purine/pirimidine circa 1,3. Molecula de rARN are peste 1000 de nucleotizi.

Sinteza proteinelor

Proces care consta in polimerizarea aminoacizilor, in celule sau in vitro. (v.anexa3)Intr-o celula pot exista circa 10000 proteine care au rol esential in functionarea si reproducerea celulei si organismului. Biosinteza proteinelor se desfasoara in urmatoarele momente. In primul moment are loc transcriptia, care consta in sinteza mARN de catre una dintre catenele de ADN dintr-o gena. Acest mARN are o structura complementara catenei de ADN matrice, reprezentand o "imagine in oglinda" a acestuia, o transcriere mecanica a codonilor catenei de ADN, respectiv a mesajului genetic, cu simboluri complementare. In al doilea momont are loc translatia care consta in migrarea mARN in citoplasma si asocierea mARN cu ribozomii activi in sinteza proteica. Catena de mARN se fixeaza simultan prin absorbtie pe mai multi ribozomi la distanta intre ei de 300-350A, formand poliribozomi. In al treilea moment are loc activarea aminoacizilor, care consta in reactia unui aminoacid cu adenozin-trifosfat (ATP) catalizata de aminoacil-ARN sinteza, si formarea de aminoacil-adenilat (aminoacil AMP), care se ataseaza de o molecula de tARN, determinand aparitia unui complex aminoacil-tARN. Acest complex este transportat in locul lui propriu in lantul proteic, determinat de mARN din polizomi. Pe catena mARN din polizom, se vor amplasa, la nivelul fiecarui ribozom, numai acele complexe aminoacil-tARN care, pe bucla centrala, reprezentand anticodonul, poseda o secventa de trei ribonucleotizi complementara codonilor mARN din complexul polizomului. In acest fel aminoacizii sunt legati enzimatic intr-o ordine impusa de ADN care a matritat mARN si care joaca un rol direct in biosinteza proteinelor. In al patrulea moment are loc translatia, polimerizarea sau asamblarea aminoacizilor. Legatura se realizeaza intre gruparea COOH a primului aminoacil care reprezinta punctul activ al biosintezei progresive, cu gruparea NH₂, a celui de al doilea aminoacil, in prezenta enzimei peptid-polimeraza, care catalizeaza formarea legaturilor peptidice intre aminoacizi; incorporarea aminoacizilor este ireversibila; iau astfel nastere lanturi polipeptidice care se elibereaza de polizom, prin translocarea ultimului complex aminoacil-tARN de ultimul ribozom din polizom, cand acesta a ajuns in urma rotirii la extremitatea matricei mARN de care se detaseaza. Un lant polipeptidic se sintetizeaza intr-un minut.

Structura bicatenara dublu-elicoidala a ADN-ului

Anexa 1.

Tipuri de ARN celular

Anexa 2.

Sinteza proteinelor

Anexa 3.

Bibliografie

Dictionar de biologie -Teofil Craciun, Leonora Craciun

Chimie organica - Mihai Zapan, Edith Beral

Arborele Lumii

Microsoft Encarta 2000 Encyclopedia

Informatii privitoare la acizi nucleici si ADN pot fi gasite la adresele:

ACIZII NUCLEICI

MATERIALUL GENETIC (informatia genetica) - ACIZI NUCLEICI - GENA - CROMOZOM

Definitie: Compusi chimici macromoleculari (POLINUCLEOTIDICI) ce au rol in                   

stocare,decodificare si transmitere de informatie genetica.

Structura: Acidul nucleic prezinta ca unitate de baza NUCLEOTIDA

-baza azotata

-zaharul

-radicalul fosforic

BAZA AZOTATA:

1) purinica: adenina si guanina

2) pirimidinica: citozina,timina si uracil (in ARN)

ZAHARUL:

riboza (in ARN)

dezoxiriboza (in ADN)

RADICALUL FOSFORIC realizeaza legaturi intre nucleotide

-intre adenina si tinina A=T/T=A

-intre guanina si citozina C=G/G=T

TIPURI FUNDAMENTALE (clasificare):

acizi dezoxiribonuclici (ADN)

acizi ribonucleici (ARN)

ACIDUL DEZOXIRIBONUCLEIC

CARACTERISTICI GENERALE

-structura monocatenara (alcatuita dintr-o singura catena)

Arn-ul este de 3 tipuri ce sunt esentiale pentru realizarea procesului de BIOSINTEZA PROTEICA:

arn mesager=copiaza informatia genetica din nucleu

arn de transfer=transfera amino-acizii din citoplasma pana la nivelul ribozomilor

arn ribozomal=alcatuieste organisme celulare comune la nivelul carora se realizeaza biosinteza proteica.

ACIDUL RIBONUCLEIC

CARACTERISTICI GENERALE

-structura bicatenara (2 catene polinucleotidice) -antiparalele

-rasucite in jurul unui ax central dublu helix

-unite prin punti de hidrogen

PROPRIETATI

denaturarea

renaturarea

duplicarea semiconservativa

Denaturarea

- atunci cand ADN este incalzit la temperaturi ridicate apar modificari in structura acesteia.

atunci cand racirea se face brusc apare fenomenul de denaturare (o data distruse legaturile de hidrogen ADN nu se mai reface astfel incat se formeaza ADN monocatenar).

Renaturarea

atunci cand racirea se face treptat aceasta implica refacerea legaturilor de hidrogen dintre bazele azotate complemantare,refacandu-se ADN initial.

Dplicarea semiconservativa

- procesul care se realizeaza in nucleu;in interfaza celulara si are ca rezultat dublarea cantitatii de AND.