ASPECTE LEGATE DE BIOFIZICA CELULEI

ASPECTE LEGATE DE BIOFIZICA CELULEI

Celula este alcatuita din membrana, citoplasa si nucleu. Componenta principala a membranei este plasmalema, un bistrat fosfolipidic in care se gasesc proteine periferice si integrale, la care se adauga glicokalixul la exterior, citoscheletul submembranar si reticulul endoplasmatic.

La nivel celular se manifesta toate proprietatile generale, fundamentale ale materiei vii.Aceste proprietati sunt asigurate morfofunctional la nivel subcelular in mod diferentiat, prin specializarile organitelor celulare.

Celula are nevoie de trei sisteme fundamentale care o ajuta la pastrarea homeostaziei cat si in pentru reproducere:

primul este legat de asigurarea protectiei impotriva actiunii entropice a factorilor externi

al doilea este legat de sinteza compusilor specifici si reconstituirea structurilor distruse total sau partial

al treilea este legat de reproducere

Primul sistem are ca localizare in principal, memebrana biologica, al doilea contine multimea de enzime si ribozomi iar al treilea din nucleu si anexel afernte.

In esenta, celula reprezinta un sistem termodinamic deschis adica un sistem bine precizat care interactioneaza cu exteriorul prin diverse metode. Un rol esential, in relatiile cu mediul ambiant,    il joaca receptorii din biomembrane .

Tot ce implica schimburi dintre celula si mediu se realizaza atat prin distrugerea locala a integritatii membranei sau prin pastraea ei cat si prin procese d etransport pasiv si activ.

Nivelul molecular al vietii se refera la diferite sisteme de nuclei din celulele care nu sunt posibile a fi studiate decat prin metode fizico - chimice. Aceste molecule sau macromolecule nu sunt vii dar prin interactiune si functia lor asigura manifestarea fenomenului - viata (implica existenta unor structuri si desfasurari prin procese energetice specifice). Aceste structuri asigura si circulatia informatiei in cadrul sistemului. Nivelul supramolecular al vietii exprima un nivel de organizare mai complexa fiind reprezentata de o serie de sisteme din interiorul celulei (cromozomi in nucleu; mitocondriile in citoplasma). Nivelul celular al vietii este prima treapta de organizare in care se manifesta caracteristicul vietii si interactiunea cu mediul ambiant prin schimb de materie, informatie si energie.

Celula ca unitate fundamentala si elementara a vietii repezinta unitatea morfologica, functionala si genetica. Superior celulei exista trei nivele de organizare:

tisular

organic

organismul in ansamblu

Celulele sunt de o mare diversitate ca rezultat al adaptarii formei la functie. (Iacobas).

Organitele celulare se scalda intr-un mediu specific, si au in compunerea lor un numar relativ mic de molecule legate intre ele prin forme de structura si organizare complexa, dupa o legitate necunoscuta inca. In studiul biofizic al celulei nu putem discuta despre o celula unica. Celulele au caracter particular, in functie de nivelul de evolutie si structura sistemului din care face parte.

In studiul caracteristic biofizic al celulei dificultatea consta in tehnicile de studiu care pot introduce pe langa artefacte (erori) si interpretari contradictorii materiei vii.

Forma celulei

Forma celulei nu este constanta, ea se modifica pentru a satisface si indeplini functiile pentru care a fost programata. Tranzitiile de forma implica mecanisme deosebit de sofisticate si complicate.

Caracteristicele celulelor se pot exprima prin functii cu dubla dependenta temporala, una legata de momentul din ciclul celular si alta legata de stadiul organismului de care apartine.

forma este extrem de variata

la organismele pluricelulare forma depinde de actiunile mecanice sau de alta natura care se exercita intre celule

forma celulelor vii este cea corespunzatoare unei energii superficiale minime

suprafetele au o arie minima la un moment dat = suprafata platean (cea mai cunoscuta fiind sfera)

O celula sferica nu trebuie sa cheltuiasca energie pentru a-ti mentine forma, deoarece forma sferica corespunde echilibrului termodinamic. O celula nesferica nu are forma unei suprafete platean, isi mentine forma cheltuind energie metabolica → cand metabolismul inceteaza prin moartea celulei aceasta incepe sa devina sferica.

Dimensiunile celulare

limitele de variatie a dimensiunilor celulare sunt mari

hematia: 6,5 - 7,5 m

ovulul: 200m

axonul din nervul sciatic 1m

O celula nu poate fi oricat de mica deoarece fiecare din partile ei trebuie sa contina un numar suficient de molecule astfel incat sa nu fie perturbat echilibrul celular. Realizarea metabolismului energetic si plastic necesita intre 50 - 100 de enzime distincte, care trebuie sa fie continute in structuri spatiale ordonate in interiorul celulei. Informatia structurala a enzimelor trebuie sa fie inscrisa in macromoleculele de ADN care ocupa spatiul in celula.

Datorita incompresibilitatii lichidelor la presiuni obisnuite, volumul celular ramane constant, oricare ar fi tranzitia efectata.

Au o mare capacitate de adaptare si diferentiere.

Forma, continutul si functiile celulei sufera modificari continue pentru a satisface cerintele de rang superior in structurile din care fac parte.

Caracteristicile biofizice ale celulei

vascozitatea citoplasmei

tensiunea superficiala

elasticitate

densitatea citoplasmei si a moleculei

Celula este rezistenta la miscarea pe care o manifesta moleculele in momentul deplasarii in raport cu moleculele vecine. Daca coeficientul de viscozitate se dovedeste a fi crescuta de material (independenta de forta de miscare sau gradient de viteza), substanta se prezinta ca un lichid newtonian (lichid care are curgere fara frecari). Tratarea cantitatii de vascozitate nu se poate face riguros decat in cazul solutiei diluate. Pentru solutia concentrata si cu molecule mari, legile lui Newton nu se aplica. Problema: citoplasma este sau nu un lichid newtonian. Totusi este considerat lichid newtonian deoarece abaterile de comportament sunt neglijabile.

Vascozitatea protoplasmei vii

Pentru determinare vascozitatii se utilizeaza metode care se pot clasifica in doua grupe:

A.     se bazeaza pe modificarile legii Stokes referitoare la deplasarea unei sfere mici intr-un lichid vascos

B.     se bazeaza pe legatura dintre miscarea brawniana a unor particule suspendate si mediul vascos de suspensie

A.     Se considera o forta constanta ce deplaseaza o particula sferica intr-un lichid vascos. Dupa o anumita distanta de la prima particula ea capata o viteza constanta deoarece vascotitatea lichidului echilibreaza o anumita viteza de actiune a fortei care deplaseaza particule a carei miscare devine uniforma. Forta de frecare cresre direct proportionala cu viteza particulelor putand fi calculata dupa legea lui Stokes:

Forta rezultanta dupa care particula cade este data de diferenta intre forta de gravitatie si forta care se opune caderii libere:

Pentru ca relatia sa fie valabila este necesara ca raza sferei sa fie mica fata de dimensiunea celulei, iar curgerea laminara.

Vascozitatea nucleului

Nucleul se comporta ca un lichid vascos cu valoarea coeficientului de vascozitate 0,002 N . S/m² aproximativ dubla ca a apei.

Tensiunea superficiala se manifesta ca forta tangentiala la suprafata unui lichid.

σ =coeficientul detensiune superficiala

Metoda curgerii cinetice se determina scaderea volumului celular intr-un anumit interval de timp datorita presiunii extreme.

Elasticitatea protoplasmei

Scade in prezenta sarurilor de sodiu si creste in trezenta sarurilor de potasiu

Este diferita de cea a nucleului

Determinarea elasticitatii a fost facuta prin introducerea in celula a unor sfere foarte mici de nichel care au foat deplasate cu ajutorul unui magnet. Crik a introdus in celula niste sfere de mici magneti care puteau fi fagocitate de fibroblaste cultivate in vitro.

Densitatea citoplasmei

Valoarea 1,03 - 1,05g/cm³ (apropiata de ƍ apei de mare)

Metoda de determinare a densitatii protoplasmei = centrifugarea la care componentele nucleului se depun in ordinea: nucleol, cromozomi, citoplasma, subnuclear.

Pe suprafata nucleului se pot fixa mitocondrii, plastidele si elementele golgice.

Insusiri oprice ale nucleului

Refringenta maxima o au cromozomii

In lumina polarizanta nucleul prezinta birefringenta negativa, datorita prezentei ADN

Insusirile electrice ale nucleului depind de ph. Punctul izoelectric este la ph de 3 - 4,2 (mai scazut decat al citoplasmei 4 - 6,5). Are importanta deoarece la izoelectric avem: minim de sarcini, de viscozitate, de incarcare cu lichid (inhibitie), de presiune osmotica.

Astfel, celula in relatiile cu mediul inconjurator receptioneaza mesajele sub diferite forme, le recunoatte, le interpreteaza si apoi le prelucreaza coordonandu -si astfel activitatea finctie de particularitatile mediului ambiant.