BIOLOGIA CELULARĂ: ISTORIC, CE STUDIAZĂ, APLICAȚII ȘI CONCEPTE - BIOLOGIE - 2025

Biologie celulara este ramura biologiei care studiază toate aspectele vieții celulare. Adică cu structura, funcția, evoluția și comportamentul celulelor care alcătuiesc ființe vii pe pământ; cu alte cuvinte, totul inerent nașterii, vieții și morții sale.

Este o știință care integrează o mare cantitate de cunoștințe, printre care se evidențiază biochimia, biofizica, biologia moleculară, științele computationale, biologia dezvoltării și comportamentului și biologia evolutivă, fiecare cu propria abordare și propriile strategii de experimentare pentru a răspunde la întrebări specifice.

Silueta unui microscop (Sursa: Karen Arnold prin Wikimedia Commons)

Deoarece teoria celulelor afirmă că toate ființele vii sunt compuse din celule, biologia celulară nu face distincție între animale, plante, bacterii, arhaea, alge sau ciuperci și se poate concentra pe celule individuale sau pe celule aparținând țesuturilor și organelor același individ multicelular.

Astfel, întrucât este o știință experimentală (mai degrabă decât descriptivă), cercetarea în această ramură a biologiei depinde de metodele disponibile pentru studiul ultrastructurii celulare și de funcțiile sale (microscopie, centrifugare, cultură in vitro etc.)

Istoria biologiei celulare

Unii autori consideră că nașterea biologiei celulare a avut loc odată cu apariția teoriei celulare propuse de Schleiden și Schwann în 1839.

Cu toate acestea, este important să luăm în considerare faptul că celulele au fost descrise și studiate cu mulți ani înainte, începând cu primele descoperiri ale lui Robert Hooke care, în 1665, a văzut pentru prima dată celulele care au constituit țesutul mort al unei foi de plută; și continuând cu Antoni van Leeuwenhoek, care ani mai târziu a observat probe cu diferite microorganisme la microscop.

Portretul lui Robert Hooke (Sursa: Gustav VH, prin Wikimedia Commons)

După activitatea lui Hooke, Leeuwenhoek Schleiden și Schwann, mulți autori s-au dedicat și sarcinii de a studia celulele, cu ajutorul cărora s-au perfecționat detalii privind structura și funcționarea lor internă: nucleul celulelor eucariote, ADN și cromozomi, mitocondrii, reticulul endoplasmic, complexul Golgi etc.

La mijlocul secolului XX, domeniul biologiei moleculare a înregistrat progrese considerabile. Acest lucru a influențat faptul că, în anii 1950, biologia celulară a cunoscut și o creștere considerabilă, deoarece în acei ani a fost posibilă menținerea și înmulțirea celulelor in vitro, izolate de organismele vii.

Progresele în microscopie, centrifugare, formularea mediilor de cultură, purificarea proteinelor, identificarea și manipularea liniilor celulare mutante, experimentarea cu cromozomi și acizi nucleici, printre altele, au stabilit un precedent pentru avansarea rapidă a biologiei celulare la era actuală.

Ce studiezi? (obiect de studiu)

Biologia celulară este responsabilă pentru studiul celulelor procariote și eucariote; studiază procesele de formare, viața și moartea sa. De obicei, se poate concentra pe mecanisme de semnalizare și structurarea membranelor celulare, precum și organizarea citoscheletului și a polarității celulare.

De asemenea, studiază morfogeneza, adică mecanismele care descriu modul în care celulele se dezvoltă morfologic și modul în care celulele care „se maturizează” și se transformă de-a lungul vieții se schimbă în timp.

Celule de drojdie din specia Saccharomyces cerevisiae.

În cadrul biologiei celulare, sunt incluse subiecte legate de mobilitate și metabolismul energetic, precum și dinamica și biogeneza organelelor lor interne, în cazul celulelor eucariote (nucleu, reticul endoplasmic, complex Golgi, mitocondrii, cloroplaste, lizozomi, peroxisomi, glicozomi, vacuole, glicozomi etc.).

De asemenea, implică studiul genomilor, organizarea lor și funcția nucleară în general.

În biologia celulelor, sunt studiate forma, dimensiunea și funcția celulelor care alcătuiesc toate organismele vii, precum și procesele chimice care apar în cadrul acestora și interacțiunea dintre componentele lor citosolice (și locația lor subcelulară) și celule cu mediul lor.

Concepte esențiale în biologia celulelor

Ilustrația diviziunii unei celule. Sursa: pixabay.com

Intrarea în domeniul biologiei celulare este o sarcină simplă atunci când se iau în considerare unele cunoștințe de bază sau concepte esențiale, deoarece cu acestea și cu utilizarea rațiunii este posibil să înțelegem în profunzime lumea complexă a celulelor.

celulele

Schema celor două tipuri de celule din natură: eucariote și procariote. Principalele părți sunt prezentate, arătând diferențele dintre ele (Sursa: Niciun autor care nu poate fi citit de către mașină. Mortadelo2005 presupus (bazat pe revendicări de copyright). Via Wikimedia Commons)

Printre conceptele fundamentale care trebuie luate în considerare în panoramă se află concepția că celulele sunt unitățile de bază ale vieții, adică sunt „blocurile” care permit construcția unor organisme pe care le putem numi „vii” și că toate ele sunt separate de mediul extracelular datorită prezenței unei membrane.

Indiferent de mărimea, forma sau funcția lor într-un țesut specific, toate celulele îndeplinesc aceleași funcții de bază care caracterizează ființele vii: cresc, se hrănesc, interacționează cu mediul și se reproduc.

DNA

Molecula de ADN Sursa: wikipedia.org

Deși există celule eucariote și celule procariote, care sunt fundamental diferite în ceea ce privește organizarea lor citosolică, orice celulă are în minte, toate, fără excepție, au acid dezoxiribonucleic (ADN) în interiorul lor, o moleculă care adăpostește " planurile structurale, morfologice și funcționale ”ale unei celule.

citosol

Diagrama unei celule animale și a părților sale. Citosolul este denumit în partea de jos. (Sursa: Alejandro Porto prin Wikimedia Commons)

Celulele eucariote au organele specializate în citosol pentru diferite funcții care contribuie la procesele lor vitale. Aceste organele realizează producția de energie din material nutritiv, sinteza, ambalarea și transportul multor proteine ​​celulare, precum și importul și digestia particulelor mari.

citoscheletului

Celulele au un citoschelet intern care menține forma, direcționează mișcarea și transportul proteinelor și organelelor care le folosesc, precum și ajută la mișcarea sau deplasarea întregii celule.

Organisme unicelulare și multicelulare

Există organisme unicelulare și multicelulare (al căror număr de celule este extrem de variabil). Studiile de biologie celulară se concentrează, de obicei, pe organisme „model”, care au fost definite în funcție de tipul de celulă (procariote sau eucariote) și în funcție de tipul de organism (bacterii, animale sau plante).

Genele

Genele fac parte din informațiile codificate în molecule de ADN care sunt prezente în toate celulele de pe Pământ.

Acestea nu numai că îndeplinesc funcții în stocarea și transportul informațiilor necesare pentru a determina secvența unei proteine, ci și exercită funcții importante de reglementare și structură.

Aplicații de biologie celulară

Există un număr mare de aplicații pentru biologia celulelor în domenii precum medicină, biotehnologie și mediu. Iată câteva aplicații:

Colorarea fluorescentă și hibridizarea in situ (FISH) a cromozomilor pot detecta translocări cromozomiale în celulele canceroase.

Tehnologia microarray-urilor de „cip” de ADN permite cunoașterea controlului expresiei genice a drojdiei, în timpul creșterii acesteia. Această tehnologie a fost folosită pentru a înțelege expresia genelor umane în diferite țesuturi și celule canceroase.

Anticorpi marcați cu fluorescență, specifici împotriva proteinelor intermediare cu filament, fac posibilă cunoașterea țesutului din care a provenit o tumoare. Aceste informații ajută medicul să aleagă cel mai potrivit tratament pentru combaterea tumorii.

Utilizarea proteinei fluorescente verzi (GFP) pentru localizarea celulelor din țesut. Folosind tehnologia ADN recombinantă, gena GFP este introdusă în celulele specifice unui animal complet.

Exemple de cercetare recente în biologia celulelor

Au fost alese două exemple de articole publicate în revista Nature Cell Biology Review. Acestea sunt următoarele:

Rolul moștenirii epigenetice la animale (Pérez și Ben Lehner, 2019)

S-a descoperit că alte molecule, pe lângă secvența genomului, pot transfera informații între generații. Aceste informații pot fi modificate de condițiile fiziologice și de mediu ale generațiilor anterioare.

Astfel, există informații în ADN care nu sunt asociate cu secvența (modificări covalente ale histonelor, metilarea ADN-ului, ARN-uri mici) și informații independente de genom (microbiom).

La mamifere, malnutriția sau alimentația bună afectează metabolismul glucozei urmașilor. Efectele paterne nu sunt întotdeauna mediate de gameți, dar ar putea acționa indirect prin intermediul mamei.

Bacteriile pot fi moștenite prin mamă prin canalul de naștere sau prin alăptare. La șoareci, o dietă săracă în fibre produce o scădere a diversității taxonomice a microbiomului de-a lungul generațiilor. În cele din urmă, are loc extincția subpopulațiilor microorganismelor.

Reglarea cromatinei și terapia cancerului (Valencia și Kadoch, 2019)

În prezent, sunt cunoscute mecanismele care guvernează structura cromatinei și rolul acesteia în boală. În acest proces, dezvoltarea tehnicilor care permit identificarea expresiei genelor oncogene și descoperirea țintelor terapeutice a fost esențială.

Unele dintre tehnicile utilizate sunt imunoprecipitarea cromatinei urmată de secvențiere (ChIP-seq), secvențiere ARN (ARN-seq), test de cromatină transpoaccesibilă utilizând secvențiere (ATAC-seq).

În viitor, utilizarea tehnologiei CRISPR - Cas9 și a interferenței ARN vor juca un rol în dezvoltarea terapiilor de cancer.

Referințe

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M., … și Walter, P. (2013). Biologia celulară esențială. Garland Science.
2. Bolsaver, SR, Shephard, EA, White, HA, & Hyams, JS (2011). Biologie celulară: un curs scurt. John Wiley & Sons.
3. Cooper, GM, & Hausman, RE (2004). Celula: abord molecular. Medicinska naklada.
4. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, Matsudaira, P., Baltimore, D., & Darnell, J. (2000). Biologie celulară moleculară ediția a IV-a. Centrul Național de Informații în Biotehnologie, raft.
5. Solomon, EP, Berg, LR, & Martin, DW (2011). Biologie (ediția a IX-a). Brooks / Cole, Cengage Learning: SUA.