3- OBTENCIÓ D’ENERGIA PER LA CÈL·LULA
Els organismes heteròtrofs obtenen la energia que necessiten mitjançant
reaccions d'òxido-reducció de la matèria orgànica.
Els éssers autòtrofs, a més de realitzar aquestes reaccions,
poden obtenir energia a partir de reaccions com la fotòsintesi i
amb ella poder fabricar la seua pròpia matèria orgànica
(font de matèria i energia).
La respiració cel·lular és un procés catabòlic
en què la matèria orgànica -d'estructura complexa i
posseïdora d'una energia potencial- és degradada totalment mitjançant
una sèrie de reaccions oxidatives fins a molècules senzilles
com el CO2 i H2O, alhora que
allibera l'energia continguda al seus enllaços. Aquesta energia alliberada és
parcialment emmagatzemada en una forma útil per a la cèl·lula
(ATP); la resta es perd en forma de calor. La respiració és
un procés complex que té lloc a nivell cel·lular, comença en l'hialoplasma i es realitza majoritàriament
al mitocondri. El mecanisme d'obtenció d'energia és igual en els organismes autòtrofs i heteòtrofs: la degradació oxidativa de la matèria orgànica. La diferència radica en COM obtenen aquesta matèria orànica. Els éssers heteròtrofs la capten de l'exterior amb els aliments, mentre que els organismes auòtrofs són capaços de crear la sua pròpia matèria orànica a partir de matèria inorgànica simple i l'energia del Sol (procés de fotosíntesi).
C6H12O6(GLUCOSA) + 6 O2 
6 CO2
+ 6 H2O + energia (en forma d'ATP)
A banda dela glucosa, l'altra biomolècula que funciona com a "combustible biològic" són els àcids grasos.
Aquest alliberament d'energia no es fa sobtadament , ans al contrari es
fa de mica en mica. Un alliberament simultani seria un inconvenient per
a la cèl·lula, ja que es faria en forma de calor, fet incompatible
amb el procés vital (es desnaturalitzacrien les proteïnes!); a més a més, aquesta gran quantitat
d'energia no podria ser utilitzada per la cèl·lula. Si l'energia
s'allibera poc a poc, a través de molts passos, tal com intenta reflectir la imatge que teniu a sota, aleshoressi que pot ser utilitzable / en la formació de
molècules d'ATP a partit d'ADP + P).
Fotosíntesi
Podem definir la fotosíntesi com un procés mitjançant el qual les cèl·lules autòtrofes aprofiten l'energia solar per realitzar la síntesi dels seues biomolècules orgàniques (hidrats de carboni, lípids, etc) a partir de la matèria inorgànica (H2O, CO2 i sals minerals). Es tracta d'un procés anabòlic que requereix una font d'energia externa: la llum solar. Els cloroplasts realitzen aquest procés durant les hores de llum solar. Al llarg de la nit aturen aquest mecanisme i depenen únicament de les seus mitocondris per generar ATP. La fotosíntesi és realitzada per les cèl·lules fotosintètiques de les plantes superiors, algues i bacteris fotosintètics.
Esquema general de la
fotosíntesi
La fotosíntesi de les plantes superiors pot ser representada per la següent equació general:
6
CO2 + 6 H2O
energia lluminosa C6H12O6
+ 6O2
Actualment
aquests dos processos, fotosíntesi i respiració, són
els responsables d'encarrilar l'energia que flueix per tota la biosfera;
és un flux vital de direcció única que ve del Sol,
s'absorbeix a la fotosíntesi i es consumeix a la respiració.
durant centenars de milions d'anys els heteròtrofs i els fotosintetitzadors
han evolucionat conjuntament i han sabut reciclar els productes residuals
del seu metabolisme; els primers utilitzen la pol·lució fotosintètica
(oxigen) mentre que els segons ho fam amb la pol·lució respiratòria
(diòxid de carboni). Cal recordar també que les plantes "respiren"
a l'igual que els animals mitjançant l'oxidació de la glucosa
als mitocondris. El balanç global, però , és favorable
a la fotosíntesi ja que emeten a l'atmosfera més O2
que no CO2. Veure figura
Aquest
procés global pot dividir-se en dos fases:
1) Reaccions que depenen de la llum (fase lumínica)
2) Fixació el carboni (Fase fosca o biosintètica)
Fase lumínica o fotoquímica
Consisteix en la captació d'energia lumínica per part d'una sèrie de pigments que absorbeixen la llum , i transformen l'energia d'aquesta en energia química útil en forma d'ATP i d'un agent reductor, el NADPHFase fosca (fixació del carboni)
Aquestes reaccions no necessiten la presència directa de llum (poden fer-se amb o sense llum). L'ATP i el NADPH obtinguts en la fase anterior són utilitzats com a font d'energia i poder reductor respectivament per impulsar la transformació anabòlica del CO2 en hidrats de carboni.
El nucli i les funcions de reproducció
El nucli de les cèl·lules eucariotes està separat de la resta del citoplasma per una membrana anomenada membrana nuclear. L'interior del nucli està ple d’una sèrie de filaments d'ADN, que contenen la informació genètica. Cada espècie té un número constant i característic d'aquestes molècules d'ADN. Així, les cèl.lules humanes tenen 46 d'aquestes molècules.Al llarg del cicle cel·lular canvia l'aspecte i l'estructura d'aquestes molècules d'ADN
Canvis en l’aspecte de la molècula d’ADN al llarg del cicle cel·lular
Les molècules d'ADN del nucli van canviant d'aspecte al llarg del cicle cel·lular:
- Si la cèl·lula està dividint-se, l'ADN es troba molt espiralitzat en forma d'unes estructures independents en forma de bastó anomenades cromosomes.
- Si la cèl·lula no està dividint-se (interfase), l'ADN es troba desespiralitzat, formant una estructura dispersa que ocupa la major part del nucli i que rep el nom de cromatina.La raó d'aquests canvis és senzilla de comprendre: durant la divisió cel·lular , el material genètic, en forma de cromosomes ha de ser repartit fàcilment entre les dos cèl.lules filles; sota la forma de cromosomes, la separació serà molt més senzilla que sota la forma de cromatina. Durant la interfase, l'ADN dirigeix el funcionament cel.lular i, de forma desplegada, podrà desenvolupar millor aquesta important funció (recordeu que L'ADN està continuament fent la transcripció gènica)
EL CICLE CEL·LULAR
La teoria cel·lular ens diu que cada cèl·lula prové de la divisió d'una altra cèl·lula preexistent. Des d'aquest moment, fins a que la nova cèl·lula es torne a dividir, travessarà una sèrie d'etapes que formen el seu cicle vital o cicle cel·lular. Tradicionalment es distingia entre període d'interfase (o de repós, tot i el significat erroni d'aquesta denominacó)) i el període de divisió cel·lular. Durant la interfase el nucli no presentava aparentment cap activitat observabl (encara que la cèl·lula realitza les sues funcions metabòliques), mentre que al periode de divisió sofria una sèrie de transformacións fàcilment obervables amb el microscopi òptic.
La interfase és, però, un període de gran activitat cel·lular. La majora del components cel·lulars es formen contínuament durant la interfase a excepció de l'ADN. La replicació d'ADN té lloc en una fase limitada i concreta de la interfase que rep el nom de fase S (S = síntesi). L'altra fase concreta del cicle cel·lular és la de divisió cel·lular, facilment obsevable al microscopi, i que inclou una divisió nuclear -mitosi- i una divisió citoplasmàtica -citocinesi. Tota la fase de divisió cel·lular rep el nom de fase M (M=mitòtica). Resten dos períodes compresos entre la fase M i el començament de la síntesi d'ADN que rep el nom de G1 (G = gap , en anglés separació), i el període comprés entre la fi de la síntesi d'ADN i la fase M següent, que rep el nom de G2.
Així doncs, la interfase està constituïda per les fases G1 , S i G2; normalment representa el 90% del total del cicle cel·lular. A les cèl·lules eucariotes amb divisió cel·lular ràpida, la interfase dura unes 16-24 hores, mentre que la fase M únicament 1 o 2 hores. Després d'una fase M, les cèl·lules filles inicien la interfase d'un nou cicle. La interfase s'inicia amb la fase G1.
Fase G1. És una fase de creixement que s'inicia immediatament després de la divisió cel·lular. És una etapa d'intensa activitat metabòlica on els gens es transcriuen i es tradueixen a fi de sintetitzar les proteïnes necessàries per al creixement cel·lular. Sol ser la fase més llarga.
Fase S. Quan la cèl·lula assoleix unes determinades dimensions, s'ha de preparar per a la seua divisió; per això duplica prèviament el seu contingut genètic amb la finalitat que cada cèl·lula filla continga una còpia idèntica del genoma -conjunt d'ADN de la cèl·lula. Aquesta és una fase de síntesi i replicació de l'ADN i finalitza quan el contingut d'ADN del nucli s'ha duplicat.
Un dels factors que regulen la divisió cel·lular és la relació nucleoplasmàtica (RNP) :
RNP = Volum nuclear / Volum citoplasmàtic
Quan la RNP assoleix un valor mínim, implica que el nucli és incapaç de controlar el metabolisme del citoplasma tan gran , per la qual cosa s'indueix la divisió cel·lular.
Fase G En aquesta etapa, preparatòria de la mitosi, es transcriuen i es tradueixen certs gens responsables de l'aparició de les proteïnes necessàries per a la divisió cel·lular.
Fase M. És l'etapa final del cicle: les cèl·lules es divideixen i reparteixen equitativament el seu contingut nuclear (mitosi) i citoplasmàtic (citocinesi) entre les dues cèl·lules filles. En primer lloc, la cromatina, duplicada en la fase S, es condensa i forma unes estructures -cromosomes- que han d'ésser alineats separats i desplaçats cap els extrems de la cèl·lula. En segon lloc, el citoplasma s'ha de segmentar de manera que assegure que cada cèl·lula filla obtinga, no solament un conjunt complet de cromosomes, sinó també els elements i orgànuls citoplasmàtics corresponents.
En alguns casos, a partir de la fase M, la cèl·lula pot entrar en una fase G0 durant la qual experimenta tota una sèrie de transformacions que porten a la diferenciació cel·lular, de manera que la cèl·lula s'especialitza i únicament utilitza una part del seu genoma. En algunes cèl·lules molt especialitzades la diferenciació cel·lular no permet que es tornen a dividir.
Cromosomes
Com acabem de veure, al llarg de la fase M el material genètic acabat de duplicar a la fase S ha de repartir-se de forma equitativa entre les dues cèl·lules filles. Per aquesta raó, la cromatina ha de trobar-se en una forma més condensada per facilitar el seu repartiment -en l'estat de fibra cromatínica seria molt dificil separar les dos còpies- de la mateixa manera que és dificil repartir equitativament una ració d'espaguetis entre dos plats. Els cromosomes són estructures, generalment en forma de bastons allargats, i que es tenyeixen amb colorants bàsics com l'orceïna o l'hematoxilina, raó per la qual són fàcilment observables al microscopi òptic i reben aquesta denominació (cromosoma= cos de color)
Cada cromosoma consta de dues cromàtides alineades paral·lelament i unides per una constricció principal (primària) anomenada centròmer. Aquesta descripció correspon al cromosoma metafàsic ja que a la segona fase de la mitosi el cromosoma anafàsic està constituït per una sola cromàtida: cada cromàtida correspon a una molècula d'ADN -genèticament idèntica - duplicada a la fase S.
Cada cromàtida presenta a nivell del centròmer una estructura discoïdal anomenada cinetòcor, que conté un centre organitzador de microtúbuls a partir dels qual es formen filaments tubulars que dirigiran els moviments cromosòmics durant la mitosi i la meiosi
El centròmer divideix el cromosoma en dos parts, els braços, els quals poden ser iguals o no, segons la posició que hi ocupe. Això permet de classificar morfològicament els cromosomes:
* Metacèntrics : els dos braços són iguals , ja que el centròmer es troba al centre de la cromàtida.
* Submetacèntrics: els dos braços són lleugerament desiguals .
* Acrocèntrics: els braços són molt desiguals
* Telocèntrics: el cromosoma té un sol braç perquè el centròmer es localitza en un dels extrems.
La grandària dels cromosomes és variable: en l'espècie humana la seua longitud varia entre 1,5 i 5 mm. algunes espècies posseeixen cromosomes puntiformes (0,15-0.2 mm)
Cariotip i bandeig cromosòmic
Les cèl·lules haploides tenen tots els seus cromosomes genèticament diferents. Les cèl·lules diploides -la majoria dels animals i les plantes- presenten dos jocs de cromosomes (2n): un joc cromosòmic és d'origen patern i l'altre d'origen matern. Aquests cromosomes, idèntics des del punt de vista morfològic, i genèticament anàlegs (contenen informació per als mateixos caràcters tot i que no sempre aquesta és idèntica), s'anomenen cromosomes homòlegs. Els gàmetes (espermatozoïdes i òvuls) i moltes espores de vegetals inferiors són, però, haploides (n). L'espècie humana té 46 cromosomes ( 2n=46), és a dir, 23 parelles, dels quals 44 (22 parelles) s'anomenen autosomes i els altres dos els cromosomes sexuals, XX per a les dones i XY per als hòmens
Quan es tenyeixen els cromosomes amb determinats colorants com la fucsina a la tècnica Feulgen, apareixen unes bandes característiques de cada cromosoma, formades per l'alternança de zones més fosques (cromatina més condensada), i zones més clares (cromatina no tan condensada), Amb aquesta tècnica és possible identificar i numerar tots els cromosomes d'una cèl·lula, ordenats per parelles en funció la seua grandària.
Una vegada feta la tinció, es fa una preparació microscòpica i es fotografia el conjunt de cromosomes; després, s'amplia la fotografia, es retallen els cromosomes i s'agrupen per parelles en funció del seu bandeig i la seua morfologia. La representació gràfica del conjunt ordenat de cromosomes d'una cèl·lula s'anomena cariotip. (En la imatge, el cariotip d'un home)
Mitosi
Podem definir la mitosi com el procés complex mitjançant el qual la cèl·lula eucariota
reparteix equitativament el material genètic (nombrosos cromosomes agrupats en parelles d'homòlegs) entre les dos cèl·lules
filles; amb això s'assegura que la informació genètica
es transmeta sense variació d'unes cèl·lules a unes
altres. Per a que això siga possible la cèl·lula ha
de replicar el seu ADN abans d’iniciar la mitosi (duplicació de l'ADN en la Fase S de la interfase).
Als organismes unicel·lulars la mitosi representa un sistema de reproducció asexual (totes les cèl·lules procedents de la mitosi són idèntiques entre si i idèntiques a la cèl·lula mare que les ha originades), mentre que als organismes pluricel·lulars la divisió mitòtica permet el creixement, desenvolupament i regeneració dels teixits, procedents -per successives mitosis i un procés de diferenciació cel·lular- del zigot. Tot i que totes les cèl·lules d'un organisme pluricel·lular tenen la mateixa informació gènica, cada tipus cel·lular codifica (és a dir, utilitza)una fracció del seu genoma total.
La mitosi representa un mecanisme molt complex que sorgí de l'evolució
de les cèl·lules que presentaven una gran quantitat d'ADN
empaquetat en un nombre discret de cromosomes. Recordeu que els bacteris 8organismes unicel·lulars d'organitzacó procariota, únicament es divideixen per bipartició)
Tot i ser un procés dinàmic i continu, tradicionalment la mitosi es divideix de forma arbitrària en quatre fases successives anomenades profase, metafase , anafase i telofase.
Profase
Hi tenen lloc tota una sèrie de transformacions entre les quals destaquem:o Aparició dels cromosomes: La cromatina que es trobava difusa a la interfase es condensa lentament i forma els cromosomes; cada cromosoma, l'ADN del qual s'ha duplicat abans de la mitosi, consta de dos cromàtides unides pel centròmer.
o Formació del fus mitòtic (veure imatge)
o Desintegració de l'embolcall nuclear
Metafase
Els cromosomes es disposen al centre del fus acromàtic, de manera que tots els centròmers es troben en un mateix plànol. (Placa metafàsica). Aquesta és una fase molt important, ja que, en acabar la metafase, tots els cromosomes es troben situats als centre de la cèl·lula per assegurar el correcte repartiment de les seues cromàtides
Anafase
La metafase sol durar sovint prou temps; Sobtadament s'inicia l'anafase quan se separen cromàtides cada cromosoma, tot permetent que cada cromàtida siga arrossegada lentament cap un pol del fus.. Típicament , l'anafase és questió de minuts.
Telofase
Aquesta fase és fins a cert punt oposada a la profase. Es torna a formar una nova envoltura nuclear al voltant de cada grup de cromàtides filles. La cromatina condensada s'expandeix novament transformant-se novament en cromatina i desapareixen les fibres del fus mitòtic.
Durant l’anafase comença a dividir-se el citoplasma (citocinesi)
CITOCINESI
Aquest procés, continuació de la mitosi, consisteix en la fragmentació del citoplasma, que es reparteix entre les dos cèl·lules filles,encara que ací el repartiment no ha de ser estrictament equitatiu. Aquest procés és diferent a les cèl·lules animals i a les vegetals.
- En les cèl·lules vegetals, la paret cel·lulòsica no permet l'estrangulament i la citocinesi es fa mitjançant la formació d'un envà de separació entre les dues cèl·lules filles; la nova paret cel·lulòsica anomenada fragmoplast, prové de la fusió de vesícules de l'aparell de Golgi carregades de cel·lulosa i altres polisacàrids components de la paret vegetal. aquestes vesícules van acumulant-se al pla equatorial i després es fusionen. El creixement d'aquest fragmoplast és des de l'interior cap a la perifèria cel·lular.
Una animació completa sobre la mitosi d'una cèl·lula amb dos cromosomes, la teniu ací
Fotos al microscopi òptic d'una mitosi. També ací podem veure fotos de mitosis en les arrels d'una ceba
