Sharing is caring!

În această secțiune, vom trece în revistă structura celulei de Paramecium. Cu excepția cazului în care este menționat, ne referim la Paramecium caudatum ca exemplu tipic de celulă de paramecium.
Avem, de asemenea, 4 serii de articole pe blog despre paramecium:
Partea I. Clasificarea biologică a parameciumului – nume, istorie și evoluție
Partea II. Structura celulei Paramecium
Partea III. Reproducerea, fiziologia și comportamentele Parameciumului
Partea IV. Habitatul natural și cultivarea Paramecium – Găsiți Paramecium pentru proiectul dvs. microscopic

Anatomia Parameciumului

Diagrama etichetată care arată anatomia celulei Paramecium.
În acest articol va fi explicată fiecare structură/organelă și funcția sa.

Paramecium poartă o armură moale, numită peliculă

Corpul celulei de paramecium este înconjurat de o membrană rigidă, dar elastică, numită peliculă. Pelicula este alcătuită dintr-o substanță subțire, gelatinoasă, produsă de celulă. Stratul de peliculă conferă parameciului o formă definită și o bună protecție a conținutului său celular. Pelicula este, de asemenea, de natură elastică, ceea ce permite parameciului să-și schimbe ușor forma.

Pelicula parameciului este acoperită de multe fire de păr minuscule, numite cili

Coperind pelicula se află multe fire de păr minuscule, numite cili (singular cilium). Cilii sunt proiecții distribuite în întreaga celulă. O celulă de P. caudatum poate avea 5000-6000 de cili.
Cilii sunt structuri foarte mici – aproximativ 0,25 μm în diametru și până la 20 μm în lungime. Putem vedea doar mișcarea generală a ciliatelor pe celule, dar este greu să le vedem clar la un microscop obișnuit de lumină.

Mișcarea ciliatelor de paramecie la microscop.

Există două tipuri de ciliate prezente pe celulele de paramecie: cilia orale și cilia corporale. Cilii orali sunt prezenți pe suprafața șanțului oral. Ele ajută la colectarea materialelor alimentare. Cilii corporali se află pe suprafața corpului și îi facilitează locomoția. Ele acționează ca niște vâsle microscopice pentru a deplasa organismul într-o direcție.
Cilii corporali sunt dispuși în rânduri longitudinale (de-a lungul axei cap-coadă) cu o lungime destul de uniformă în întreaga celulă. Există, de asemenea, câțiva cili mai lungi prezenți la capătul posterior al celulei (destul de evident la P. caudatum). Aceștia formează tufișul caudal de cili (de unde și denumirea de caudatum).

Diferite tipuri de cili pe celula parameciului – cilia orală, cilia corpului și tufișul caudal.

Vedere microscopică a ciliilor

Cercetătorii au petrecut mult timp și efort studiind cilia parameciului. De ce?
Pentru că ciliile nu sunt exclusive la microorganisme, precum paramecia sau ciliatele. De fapt, și noi avem cili pe celulele noastre. De exemplu, cili mobili se găsesc pe epiteliul respirator care căptușește tractul respirator, unde ne curăță plămânii prin măturarea mucusului și a murdăriei.
Microscopia avansată este puternică în aceste tipuri de cercetare în domeniul biologiei celulare. De exemplu, microscopul electronic de scanare (SEM) ne permite să vedem morfologia, orientarea și densitatea ciliilor de la paramecium. Cu ajutorul unui microscop electronic de transmisie (TEM), putem vedea ultrastructura ciliilor într-o secțiune transversală. Cu ajutorul colorării imunofluorescente pe bază de anticorpi, oamenii de știință pot vedea chiar și ce tipuri de proteine contribuie la structura, mișcarea și creșterea ciliilor.

Oamenii de știință au folosit microscoape avansate pentru a răspunde la întrebările pe care și le-au pus cu privire la cilia de la paramecium. Stânga: SEM ne arată morfologia ciliilor (Credit: Judith L. Van Houten). În mijloc: TEM ne oferă imaginea secțiunii transversale a ciliilor în detaliu (Credit: Richard Allen). Dreapta: Microscopul cu fluorescență ne arată modul în care cilia se ancorează pe suprafața celulei.

Structura peliculei și a ciliatelor

Cu ajutorul microscopiei avansate, oamenii de știință știu acum cum cresc și se mișcă ciliatele în detaliu. După cum puteți vedea în ilustrația de mai jos, stratul de peliculă nu este neted. În schimb, există multe umflături (numite alveole) cu o depresiune pe peliculă. Un ciliu iese prin orificiul central al fiecărei depresiuni cu ancora pe corpul bazal.

Structura detaliată a ciliilor și a peliculei.

Cercetătorii au descoperit, de asemenea, ce se află în interiorul fiecărui fir de păr ciliat. Un ciliu este alcătuit din fascicule de microtubuli. Microtubulele sunt fibre proteice din interiorul celulelor cu funcții multiple. Microtubulii pot servi ca o autostradă intercelulară pentru transportul moleculelor și al organitelor. În timpul diviziunii celulare, fibrele de microtubuli proiectate de la doi centrosomi trag cromozomii separat în noi nuclee.

Organizarea ciliului.
Care ciliu conține nouă perechi de microtubuli care formează exteriorul unui inel și doi microtubuli centrali. Această structură este cunoscută sub numele de axonem. Microtubulii sunt ținuți împreună de proteine de reticulare. Există proteine motorii, numite dynein, care se așează de-a lungul fiecărei perechi de fibre microtubulare.
Creditul fotografiei: LadyofHats pe wiki.

Proteinele motorii (dynein) folosesc ATP ca energie pentru a se târî de-a lungul microtubulelor. Atunci când proteinele dynein se deplasează în sus pe o parte, dar în jos pe cealaltă parte, ciliul se îndoaie. Repetarea ciclurilor de îndoire-relaxare face ca cilia să acționeze ca niște vâsle, bătând înainte și înapoi pentru a crea mișcare.

Vezi cum cilia fac valuri

Dacă cilia doar fac valuri înainte și înapoi în același mod, celulele nu pot merge nicăieri. Mișcările înainte și înapoi trebuie să fie în faze diferite pentru a crea o forță de propulsie semnificativă.
Cercetătorii au folosit un microscop cu o cameră video de mare viteză pentru a capta modul în care cilia bat pentru a propulsa întregul corp al parameciului. Arată destul de deștepți!

Mișcarea ciliilor prezintă o frumoasă coordonare metacronică de tip val în care se menține o diferență de fază constantă între cili adiacenți.

Analizând imaginea video de mare viteză cadru cu cadru, oamenii de știință au descoperit că parameciul înoată într-un mod similar cu modul în care noi înotăm în stilul crawl frontal.
Cursă eficientă (înainte): În timpul înotului eficient, ciliul se extinde drept în sus (pentru a angaja mai multă apă) și bate împotriva apei, aducând astfel corpul înainte și trimițând apa înapoi.
Înotul de recuperare (înapoi): În timpul cursei de recuperare, ciliul revine în poziția inițială prin mișcarea sa înapoi. Ciliul tinde să se îndoaie și să rămână mai aproape de suprafața celulei pentru a minimiza rezistența.

Schema de deplasare a ciliilor pe un Paramecium.
Mișcarea ciliilor poate fi împărțită în Cursa efectivă (înainte) și Cursa de recuperare (înapoi). Cele două tipuri de curse se repetă alternativ pentru a propulsa corpul parameciului în timp ce înotăm în stilul crawl frontal.

Spre deosebire de noi, care avem doar două brațe, o celulă de paramecium are mii de cili. Pentru a înota eficient, nu toți cili se mișcă în același timp. Cilii se grupează în două tipuri de ritmuri coordonate.
Ritm sincron – Cilii din rândul transversal se mișcă în același timp.
Ritm metacron – Cilii din rândul longitudinal bat unul după altul. Acest lucru creează unde metacronice care trec de la capătul anterior la cel posterior.

Cilii se mișcă în ritm metacron pentru a crea o forță de propulsie.

Un alt comportament interesant este modul de evadare al parameciului. Dacă un paramecium întâlnește un obstacol, bătăile ciliatelor se opresc și se inversează. Acest lucru face ca parameciul să înoate înapoi pentru a se îndepărta de obstacol sau de prădători.

Cât de repede se poate deplasa un paramecium?

S-ar putea să vă întrebați cât de repede se poate deplasa parameciul? Se mișcă mai repede decât medaliații olimpici cu aur!
Majoritatea ciliatelor precum paramecia sunt înotători incredibili. De ce cili? Când ai o dimensiune corporală mai mică de un milimetru, apa este ca un sirop lipicios. Să înoți ca un pește nu ar fi foarte eficient! Dacă vrei să înoți repede și să fii capabil să manevrezi, cilia sunt cea mai bună alegere.
Cilii parameciilor se mișcă precum multe vâsle minuscule, propulsând organismul prin apă cu o viteză care este de „patru ori lungimea corpului său pe secundă”. Pentru un P. caudatum care are o lungime de 300 de micrometri (µm), acesta poate înota cu o viteză de 1200 µm pe secundă (egală cu 0,0027 mile pe oră). Dacă Michael Phelps (1,93 m sau 6 ft 4 in) înoată ca un paramecium, va înota cu o viteză de 7,72 metri pe secundă și va termina cursa de 100 de metri în 12,95 secunde. Acest lucru este de patru ori mai rapid decât recordul mondial la înot!

Trei moduri de locomoție pentru protozoare.
Cilii – bat în mod coordonat pentru a înota. Pseudopodul – se târăște la suprafață prin schimbarea formei celulei. Flagelul – înoată prin rotație ca o elice.
Creditul fotografiei: Lumen.

Cum se hrănește un paramecium?

Canelura orală

Paramecii mănâncă alte microorganisme precum bacterii, drojdii sau alge. Ele se hrănesc printr-un sistem care funcționează în mod similar cu cel al gurii noastre – esofag – stomac. Pe partea ventro-laterală a corpului parameciului există o depresiune mare, oblică și puțin adâncă, numită șanț oral. Acest șanț oral dă un aspect asimetric animalului.
Sanțul oral servește ca intrare a materialelor alimentare în celulă. Există cili orali care acoperă suprafața șanțului oral. Acești cili orali bat pentru a crea un curent de apă de intrare și pentru a aduce hrana în șanțul oral.

Vedere mai îndeaproape a sistemului de hrănire al parameciului.
Puteți urmări săgețile roșii pentru a urmări calea alimentelor care trec prin sistemul de hrănire al parameciului. În primul rând, particulele de hrană sunt colectate în canelura bucală prin mișcarea ciliilor bucali. Materialele alimentare călătoresc de la citostom la citofaringe și apoi în vacuolele alimentare prin fagocitoză. Enzimele digestive din interiorul vacuolelor alimentare descompun alimentele în molecule nutritive mici. După ce nutrienții sunt absorbiți în citoplasmă de către celulă, resturile nedigerabile sunt evacuate prin porul anal.

Citostomul, citofaringele și vacuolele alimentare

Extremul șanțului oral se conectează la o structură asemănătoare unei pâlnii, numită citostom sau gura celulei. Cilii orali acoperă, de asemenea, lumenul citostomului pentru a aduce particula de hrană până la partea inferioară a pâlniei citostomului, care se extinde în citofaringe.
Citofaringele este o structură asemănătoare unui tub (ca esofagul nostru) care duce la vacuolele alimentare. Vacuolele alimentare se formează prin înmugurirea de la capătul posterior al citofaringelui. Vacuolele alimentare funcționează la fel ca stomacul nostru și conțin enzime de digestie pentru a descompune materialele alimentare în molecule nutritive.
Procesul de hrănire prin înghițire prin vacuolele alimentare, numit fagocitoză, este comun la microorganismele unicelulare, cum ar fi Amoeba. Cu toate acestea, numai membrii familiilor de ciliate și Euglena dezvoltă sistemul special citostom-citofaringe.

Un paramecium face caca?

Porul anal

Răspunsul este Da. Paramecii au modul lor de excreție. După ce nutrienții din alimentele digerate au fost absorbiți în citoplasmă, în interiorul vacuolelor alimentare mai există resturi nedigerabile. Deșeurile vor fi ejectate printr-o structură numită por anal sau citoproct.
Diverse eucariote unicelulare au porul anal. Porul anal al unui paramecium este o regiune a peliculei care nu este acoperită de creste și cili. Pelicula subțire permite ca vacuolele să fie contopite în suprafața celulară și golite.

„Pielea” specializată a corpului celular al parameciului

Ectoplasmă și endoplasmă

În comparație cu organismele pluricelulare care au un strat de celule cutanate dedicate ca o barieră de protecție, parameciul unicelular dezvoltă o „piele celulară” pentru a se proteja.
Cum am menționat mai sus, stratul cel mai exterior este învelișul moale de peliculă și cili. Legat de peliculă se află un strat periferic îngust de citoplasmă fermă specializată, numită ectoplasmă. Sub ectoplasmă se află un tip de citoplasmă mai fluidă: endoplasma. Această regiune conține cea mai mare parte a componentelor celulare și a organitelor.

O vedere mai îndeaproape a structurii pielii parameciului.
În această imagine de înaltă rezoluție a celulei de paramecium, puteți vedea două straturi de citoplasmă: ectoplasmă și endoplasmă. Trichocistele sunt organite protectoare încorporate în stratul de ectoplasmă. (Imagine modificată după lucrarea lui Michael Plewka)

În comparație cu restul citoplasmei (endoplasmă), ectoplasma formează un strat exterior subțire, dens și transparent care conține tricociste și structuri fibrilare. Rădăcinile ciliilor se ancorează, de asemenea, în stratul de ectoplasmă. Pelicula și ectoplasma servesc împreună drept piele protectoare pentru paramecia.

Trichocyst

Trichocystul (trick-o-sists) este un mic organit fusiform situat în ectoplasmă, cu un por minuscul deschis pe suprafața peliculei. Tricocistele sunt dispuse perpendicular pe ectoplasmă. Trichocistele sunt umplute cu un fluid dens refractat care conține substanțe umflate. Atunci când celulele primesc stimuli mecanici, chimici sau electrici, tricocistele își descarcă conținutul și se transformă în țepi lungi, subțiri și înțepători. După ce sunt descărcate, se generează altele noi din kinetosomi.
Funcția exactă a trichocisturilor nu este foarte clară, deși o teorie populară este că sunt importante pentru apărarea împotriva prădătorilor. Tricocistele pot ajuta, de asemenea, la aderența celulară și pot susține corpul celular al parameciului.

Tricocistele de Paramecium.
Tricocistele sunt organite asemănătoare fusurilor care pot descărca filamente înțepătoare ca protecție împotriva prădătorilor. Stânga: O imagine TEM care arată un tricocist încorporat în ectoplasmă. Atunci când primește stimuli externi, miezul trichocistului va înghiți și va împinge spicul afară din teacă. (Imagine: Bannister, J. Cell Sci. 11:899-929, 1972.) Dreapta: Imagine de contrast de fază foarte mărită care arată un paramecium care și-a lansat trichocistul cu țepi pentru protecție. (Imagine: Walter Dawn, Encyclopædia Britannica)

Ce se află în interiorul corpului celular al unui paramecium?

Citoplasmă și organite

Ca o celulă eucariotă normală, în interiorul stratului pelicular al parameciului este închisă o substanță gelatinoasă numită citoplasmă. Citoplasma include citosolul și toate organitele. Citosolul este ca o supă condensată în interiorul celulei. Este un amestec complex de tot felul de substanțe dizolvate în apă. Puteți găsi molecule mici, cum ar fi ioni (sodiu, potasiu sau calcin), aminoacizi, nucleotide (unitățile de bază ale ADN-ului), lipide, zaharuri și macromolecule mari, cum ar fi proteinele și ARN-urile.
Un paramecium are toate organitele comune ale celulelor eucariote (link către Biologie celulară), inclusiv mitocondriile (centralele energetice ale celulei), reticulul endoplasmatic și ribozomii (unde are loc sinteza proteinelor), aparatul Golgi (oficiul poștal din interiorul celulelor), lizozomii (depozitul enzimelor digestive), peroxizomii (laboratorul de chimie din interiorul celulelor).
Dincolo de celulele vegetale, parameciul nu are cloroplaste.
În comparație cu celulele eucariote obișnuite, parameciul are două nuclee, unul mare și unul mic. Parameciul constă, de asemenea, în două tipuri de vacuole: vacuola contractilă și vacuola alimentară, care nu există în celulele umane.

Parameciul este alimentat de o unitate centrală cu două nuclee – Macronucleul și Micronucleul

Cea mai neobișnuită caracteristică a parameciului este nucleul lor. Ei au două tipuri de nuclee, care diferă prin forma, conținutul și funcția lor.

Macronucleu (MA) și micronucleu (MI) într-o celulă de P. putrinum. Vârfurile de săgeată albe și negre indică bacteriile simbiotice din interiorul citoplasmei.
Creditul fotografiei: MDPI

Micronucleu

Cele două tipuri de nuclee sunt micronucleu și macronucleu. Micronucleul este diploid; adică, conține două copii ale fiecărui cromozom al parameciului (nucleul omului este, de asemenea, diploid). Micronucleul conține tot ADN-ul (numit genom) care este prezent în organism. Acest ADN este transmis de la o generație la alta în timpul reproducerii.

Macronucleu

Pe de altă parte, macronucleul conține un subset de ADN din micronucleu. Aceste fragmente de ADN sunt copiate de la micronucleu la macronucleu deoarece poartă gene care sunt frecvent necesare celulei de paramecium. Genele din macronucleu sunt transcrise în mod activ în ARNm și apoi traduse în proteine. Macronucleul este poliploid sau conține mai multe copii ale fiecărui cromozom, uneori până la 800 de copii.

Funcția micronucleului și a macronucleului

Cu alte cuvinte, funcția micronucleului este de a menține stabilitatea genetică și de a se asigura că genele dezirabile sunt transmise la generația următoare. Se mai numește și germene sau nucleu generativ. Macronucleul joacă un rol în funcțiile celulare nereproductive, inclusiv în exprimarea genelor necesare pentru funcția de zi cu zi a celulei. Macronucleul se mai numește și nucleu vegetativ.
Dacă folosim un computer ca metaforă, micronucleul este hard disk-ul care păstrează o copie completă a programului celulei. Macronucleul acționează ca memoria cu acces aleatoriu (RAM) care stochează datele de lucru și codurile mașinii. Calculatorul încarcă doar programele în curs de utilizare de pe hard disk în RAM. Într-o celulă de paramecium, genele mai active (ceea ce înseamnă că celula are nevoie de mai multe proteine codificate de aceste gene) pot avea mai multe copii în macronucleu.
Un alt motiv pentru a avea două nuclee distincte este acela că este un mecanism prin care paramecia și alte ciliate pot respinge intrușii genetici (adică bucăți de ADN care se spionează singure în genom, de exemplu, ADN-ul unui virus).
Prin faptul că au două nuclee, dacă o bucată de ADN se află în micronucleu, dar nu și în macronucleu, aceasta va fi eliminată în timpul următoarei runde de diviziune celulară. Cu alte cuvinte, dacă ceva străin a ajuns în genomul micronucleului, atunci când se face următorul macronucleu, acesta va fi eliminat și nu va fi inclus în versiunea exprimată a genomului. Acest mecanism funcționează ca un sistem imunitar primitiv al ADN-ului; adică supraveghează genomul și încearcă să țină la distanță elementele invadatoare.
Morfologic, macronucleul are o formă reniformă sau elipsoidală. Micronucleul se găsește în apropierea macronucleului. Este o structură mică și compactă, de formă sferică. Toate speciile de paramecium au un singur macronucleu. Cu toate acestea, numărul de micronuclee poate varia în funcție de specie. De exemplu, P. aurelia are doi micronuclee, iar P. multimicronucleatum are mai multe.

Două tipuri de vacuole care sunt vitale pentru paramecium

Numele de „vacuolă” descrie aceste organite care apar transparente și tind să fie umplute cu lichid. Vacuolele capătă funcții specifice într-o celulă de paramecium. Paramecium are două tipuri de vacuole: vacuole contractile și vacuole alimentare.

Vacuolele contractile acționează ca pompe de apă pentru osmoreglare

O singură celulă de paramecium are două vacuole contractile în formă de stea așezate la fiecare capăt al corpului. Acestea sunt umplute cu fluide și sunt prezente în poziții fixe între endoplasmă și ectoplasmă. Vacuolele contractile sunt responsabile de osmoreglare, sau de evacuarea excesului de apă din celulă.
Cum să faci față „osmozei” este o provocare universală pentru toate creaturile vii. Este deosebit de critică pentru microorganismele unicelulare precum paramecium.
După cum știm, fiecare celulă este înconjurată de o membrană celulară. Această membrană are găuri mici care permit trecerea moleculelor mici (cum ar fi apa), dar nu și a celor mari (cum ar fi sarea). Datorită acestei naturi, membrana celulară este parțial permeabilă. Osmoza este mișcarea moleculelor de apă dintr-o zonă cu o concentrație mare de apă (soluție diluată) într-o zonă cu o concentrație mică de apă (soluție concentrată) printr-o membrană parțial permeabilă.

Celulele animale (globulele roșii ca exemplu în acest grafic) sunt sensibile la presiunea de osmoză. Atunci când celulele noastre se află într-un mediu „izotonic” (precum sângele nostru), intrările și ieșirile de molecule de apă sunt egale, iar celulele sunt în siguranță. Dacă mediul devine „Hipotonic”, ceea ce înseamnă mai puțini soliți (minerale) decât cel Isotonic, apa se va deplasa în celule pentru a atinge echilibrul. Celulele se vor umfla și chiar se vor sparge (liza) dacă excesul de apă nu este eliminat din celulă. Pe de altă parte, „Hipertonic” se datorează unui număr mai mare de soluturi în mediul înconjurător și poate cauza contracția celulelor.

Vacuolele contractile acționează pentru a regla cantitatea de apă din interiorul unei celule. În apa dulce, care este un mediu hipotonic pentru paramecium, apa curge în celulă prin osmoză. Vacuolele contractile expulzează apa din celulă prin contracție și împiedică celula să absoarbă prea multă apă sau chiar să se spargă.

Cum funcționează vacuolele contractile?

Care vacuolă contractilă este conectată la mai multe canale radicale (care îi formează forma de stea). Excesul de apă este drenat din întregul corp al parameciului și introdus în vacuolele contractile prin intermediul acestor canale. Acumularea de apă face ca vacuola să crească în dimensiune. Odată ce rezervorul atinge un prag de conținut, vacuola contractilă se contractă pentru a evacua excesul de apă printr-un por de pe peliculă.
Două vacuole contractile funcționează independent. Vacuola contractilă posterioară este aproape de citofaringe și, prin urmare, se contractă mai repede din cauza trecerii mai multor cantități de apă. Când vacuolele contractile se prăbușesc, pot dispărea periodic și, prin urmare, se numesc organe temporare.

Imagine de înaltă definiție a Parameciumului care arată doi vacuoli contractili în formă de stea și un macronucleu. Această imagine a fost realizată de Rogelio Moreno din Panama City, Panama, folosind contrastul de interferență diferențială (DIC) la o mărire de 40X. Această imagine a primit locul 4 în 2013 Nikon Photomicrography Competition.

Vacuole alimentare

Când o celulă de paramecium colectează hrană prin șanțul oral și trece prin citostom spre partea inferioară a citofaringelui, aceste materiale alimentare sunt încapsulate în vacuole alimentare. Vacuolele alimentare fuzionează apoi cu organitele numite lizozomi, ale căror enzime descompun moleculele alimentare și conduc digestia.

Vacuolele alimentare sunt necontractile și au o formă aproximativ sferică. Ele servesc ca un compartiment izolat pentru a permite enzimelor să descompună doar particulele alimentare, dar nu și alte organite. Dimensiunile vacuolelor alimentare variază în funcție de cantitatea de alimente și de progresul digestiei. Resturile nedigerabile vor fi expulzate printr-o deschidere de pe peliculă, numită porul anal sau citoproct.

.