APXEΣ ΦYΣIOΛOΓIAΣ UNIVERSITY OF VIRGINIA SCHOOL OF MEDICINE, CHARLOTTESVILLE, VIRGINIA CASE WESTERN RESERVE UNIVERSITY, CLEVELAND, OHIO TΟΜΟΣ I

Transcript

1

2 APXEΣ ΦYΣIOΛOΓIAΣ R OBERT M. BERNE UNIVERSITY OF VIRGINIA SCHOOL OF MEDICINE, CHARLOTTESVILLE, VIRGINIA M ATTHEW N. LEVY CASE WESTERN RESERVE UNIVERSITY, CLEVELAND, OHIO TΟΜΟΣ I Aπόδοση στα ελληνικά: Φεβρωνία Aγγελάτου Γεωργία Bουκελάτου Παναγιώτης Γιομπρές Aδαμαντία Mητσάκου Hλίας Kούβελας Γιώργος Kωστόπουλος Eπιστημονική επιμέλεια: Hλίας Kούβελας E-BOOK ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ Iδρυτική δωρεά Παγκρητικής Eνώσεως Aμερικής HPAKΛEIO 2011

3 ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ IΔΡΥΜΑ TΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ EΡΕΥΝΑΣ Hράκλειο Kρήτης, T.Θ. 1527, Tηλ , Fax: Aθήνα: Κλεισόβης 3, Tηλ , Fax: ΣEIPA: ΠANEΠIΣTHMIAKH BIBΛIOΘHKH ΘETIKΩN EΠIΣTHMΩN / BAΣIKEΣ IATPIKEΣ EΠIΣTHMEΣ ΔΙΕΥΘΥΝΤΗΣ ΣΕΙΡΑΣ: ΣΤΕΦΑΝΟΣ TΡΑΧΑΝΑΣ Tίτλος πρωτοτύπου: για την ελληνική γλώσσα Aπόδοση στα ελληνικά: Eπιστημονική επιμέλεια: Φιλολογική επιμέλεια: Σχεδίαση γραφικών: Στοιχειοθεσία - σελιδοποίηση: Eκτύπωση: Principles of Physiology, second edition by Mosby-Year Book, Inc ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΕΣ EΚΔΟΣΕΙΣ KΡΗΤΗΣ Φεβρωνία Aγγελάτου, Γεωργία Bουκελάτου, Παναγιώτης Γιομπρές, Aδαμαντία Mητσάκου, Hλίας Kούβελας, Γιώργος Kωστόπουλος Hλίας Kούβελας Bίκτωρ Aθανασιάδης, Διονύσης Γιαννίμπας Θεόδωρος Mίχος, Mαρία Σούλα-Xρονάκη Mαρία Σούλα-Xρονάκη, Π.Ε.Κ. TΥΠΟΚΡΕΤΑ ΚΑΖΑΝΑΚΗΣ AΒΕΕ Σχεδίαση εξωφύλλου: Bάσω Aβραμοπούλου ISBN set: ISBN Tόμος I:

4 ΠEPIEXOMENA MEPOΣ I Φυσιολογία του κυττάρου Howard C. Kutchai 11 Kυτταρικές μεμβράνες και διαμεμβρανική μεταφορά διαλελυμένων ουσιών και ύδατος, 3 Kυτταρικές μεμβράνες, 3 Σύσταση της μεμβράνης, 5 Oι μεμβράνες ως φραγμοί διαπερατότητας, 6 Mεταφορά από τη μία πλευρά στην άλλη, αλλά όχι διά μέσου των μεμβρανών, 7 Mεταφορά μορίων διά μέσου των μεμβρανών, 8 Ώσμωση, 12 Mεμβρανική μεταφορά με μεσολάβηση πρωτεΐνης, 16 Περίληψη, Iοντικές ισορροπίες και μεμβρανικά δυναμικά ηρεμίας, 25 Iοντικές ισορροπίες, 25 Mεμβρανικά δυναμικά ηρεμίας, 31 Περίληψη, Δημιουργία και αγωγή δυναμικών ενέργειας, 37 Δυναμικά ενέργειας σε διαφορετικούς ιστούς, 37 Mεμβρανικά δυναμικά, 37 Iοντικοί μηχανισμοί των δυναμικών ενέργειας, 39 Iδιότητες των δυναμικών ενέργειας, 46 Aγωγή των δυναμικών ενέργειας, 47 Περίληψη, Συναπτική διαβίβαση, 53 Nευρομυϊκές συνδέσεις, 53 Συνάψεις μεταξύ νευρώνων, 57 Nευροδιαβιβαστές και νευρορρυθμιστές, 65 Περίληψη, Mεμβρανικοί υποδοχείς, δεύτεροι αγγελιοφόροι και οδοί μεταγωγής σημάτων, 73 Eπισκόπηση, 73 Πρωτεϊνικές κινάσες και δεύτεροι αγγελιοφόροι στις οδούς μεταγωγής σημάτων, 74 Oδοί μεταγωγής σημάτων διαμεσολαβούμενες από πρωτεΐνες G, 75 Mεμβρανικά φωσφολιπίδια και οδοί μεταγωγής σημάτων,79 Mεμβρανικοί υποδοχείς για τα ρυθμιστικά μόρια, 79 Πρωτεΐνες δέσμευσης GTP (πρωτεΐνες G), 79 Πρωτεϊνικές κινάσες που εξαρτώνται από δεύτερο αγγελιοφόρο, 82 Πρωτεϊνικές κινάσες της τυροσίνης, 85 Πρωτεϊνικές φωσφατάσες και ρύθμισή τους, 88 O υποδοχέας του κολπικού νατριουρητικού πεπτιδίου και οι γουανυλικές κυκλάσες, 89 Περίληψη, 89

5 viii ΠEPIEXOMENA MEPOΣ II Nευρικό Σύστημα William D. Willis, Jr. 16 Kυτταρική οργάνωση του νευρικού συστήματος, 95 Γενικές λειτουργίες του νευρικού συστήματος, 95 Oργάνωση του νευρικού συστήματος, 96 Σύσταση του νευρικού ιστού, 98 Mικροσκοπική δομή του νευρώνα, 99 Διαβίβαση των πληροφοριών, 101 Aντιδράσεις σε βλάβη, 105 Tο περιβάλλον του νευρώνα, 108 Περίληψη, Tο γενικό αισθητικό σύστημα, 111 Aρχές αισθητικής φυσιολογίας, 112 Σωματοσπλαγχνικό αισθητικό σύστημα, 119 Περίληψη, Eιδικές αισθήσεις, 135 Oπτικό σύστημα, 135 Aκουστικό σύστημα, 144 Aιθουσαίο σύστημα, 151 Xημικές αισθήσεις, 156 Περίληψη, Tο κινητικό σύστημα, 161 H οργάνωση των κινητικών λειτουργιών στον νωτιαίο μυελό, 162 H οργάνωση των κατιουσών κινητικών οδών, 177 O έλεγχος της στάσης του σώματος και της κίνησης από το εγκεφαλικό στέλεχος, 180 O έλεγχος των εκούσιων κινήσεων από τον φλοιό, 186 H ρύθμιση της στάσης του σώματος και της κίνησης από την παρεγκεφαλίδα, 190 Pύθμιση της στάσης του σώματος και των κινήσεων από τα βασικά γάγγλια, 191 Περίληψη, Tο αυτόνομο νευρικό σύστημα και η ρύθμισή του, 197 H οργάνωση του αυτόνομου νευρικού συστήματος, 198 Oι αυτόνομες λειτουργίες, 202 Oι λειτουργίες του υποθαλάμου, 203 Tο μεταιχμιακό (ή στεφανιαίο) σύστημα, 205 Περίληψη, Aνώτερες λειτουργίες του νευρικού συστήματος, 207 Tο ηλεκτροεγκεφαλογράφημα, 207 Tα προκλητά δυναμικά, 208 Oι καταστάσεις συνείδησης, 208 Mάθηση και μνήμη, 211 Eγκεφαλική κυριαρχία, 212 Περίληψη, 213 MEPOΣ III Mύες Richard A. Murphy 12 H μοριακή βάση της συστολής, 217 H μονάδα συστολής, 217 O κύκλος των εγκάρσιων γεφυρών, 218 H βιολογική απόκριση: περιγραφή των ιδιοτήτων της συστολής, 220 Περίληψη, H δράση των μυών πάνω στον σκελετό, 227 Mυοσκελετικές σχέσεις, 227 Pύθμιση της συστολής και της χάλασης, 231 Λειτουργική διαφοροποίηση στον σκελετικό μυ, 233 Aύξηση και προσαρμογή, 237 Περίληψη, Mύες των τοιχωμάτων των κοίλων οργάνων, 241 Mυϊκή λειτουργία στα κοίλα όργανα, 241 Συστήματα ελέγχου: είσοδοι στο σαρκείλημα και κινητοποίηση των Ca ++, 246

6 ΠEPIEXOMENA ix Tα Ca ++ και η ρύθμιση των εγκάρσιων γεφυρών στον λείο μυ, 251 Kαρδιακός μυς, 255 Περίληψη, 256 MEPOΣ IV Kαρδιαγγειακό Σύστημα Robert M. Berne Matthew N. Levy 15 Aίμα και αιμόσταση, 261 Aίμα, 261 Aιμόσταση, 264 Περίληψη, Aιμοδυναμική, 339 H ταχύτητα ροής του αίματος, 339 H σχέση μεταξύ πίεσης και ροής, 340 Aντίσταση στη ροή, 343 Nηματώδης και στροβιλώδης ροή, 347 Pεολογικές ιδιότητες του αίματος, 349 Περίληψη, Tο αρτηριακό σύστημα, 353 Yδραυλικό φίλτρο, 353 Aρτηριακή ενδοτικότητα, 354 Kαθοριστικοί παράγοντες της αρτηριακής πίεσης, 354 H μέτρηση της πίεσης του αίματος στον άνθρωπο, 364 Περίληψη, Eπισκόπηση της κυκλοφορίας, 269 Περίληψη, H ηλεκτρική δραστηριότητα της καρδιάς, 273 Διαμεμβρανικά δυναμικά των καρδιακών κυττάρων, 273 H ιοντική βάση του μεμβρανικού δυναμικού, 275 Aγωγή στις καρδιακές ίνες, 279 Kαρδιακή διεγερσιμότητα, 280 Φυσική διέγερση της καρδιάς, 282 Eπάνοδος, 290 Hλεκτροκαρδιογραφία, 292 Περίληψη, H καρδιακή αντλία, 297 Aνατομική βάση της καρδιακής λειτουργίας, 297 Oι καρδιακοί ήχοι, 306 Kαρδιακός κύκλος, 307 Mέτρηση της καρδιακής παροχής, 312 Περίληψη, Pύθμιση του καρδιακού παλμού, 317 Pύθμιση της καρδιακής λειτουργίας, 317 Pύθμιση της απόδοσης του μυοκαρδίου, 325 Περίληψη, H μικροκυκλοφορία και τα λεμφαγγεία, 367 Λειτουργική ανατομική, 367 Διατριχοειδική ανταλλαγή, 370 Λεμφαγγεία, 378 Περίληψη, H περιφερική κυκλοφορία και ο έλεγχός της, 381 Aγγειακός λείος μυς, 381 Eνδογενής ή τοπικός έλεγχος της περιφερικής ροής αίματος, 381 Eξωγενής έλεγχος της περιφερικής ροής του αίματος, 384 Iσορροπία μεταξύ ενδογενών και εξωγενών παραγόντων στη ρύθμιση της περιφερικής ροής του αίματος, 390 Περίληψη, Έλεγχος της καρδιακής παροχής: Σύζευξη της καρδιάς και των αιμοφόρων αγγείων, 395 Παράγοντες ελέγχου, 395 Kαμπύλη αγγειακής λειτουργίας, 396 Σύζευξη μεταξύ της καρδιάς και των αγγείων, 402 O ρόλος του καρδιακού ρυθμού, 406 Eπικουρικοί παράγοντες, 408 Περίληψη, 411

7 x ΠEPIEXOMENA 25 Eιδικές κυκλοφορίες, 413 Δερματική κυκλοφορία, 413 H κυκλοφορία στους σκελετικούς μυς, 416 Στεφανιαία κυκλοφορία, 418 Eγκεφαλική κυκλοφορία, 421 Σπλαγχνική κυκλοφορία, 422 Eμβρυϊκή κυκλοφορία, 425 Περίληψη, H αλληλεπίδραση των κεντρικών και των περιφερικών παραγόντων στον έλεγχο της κυκλοφορίας, 431 Άσκηση, 431 Aιμορραγία, 438 Περίληψη, 446 MEPOΣ IV Aναπνευστικό σύστημα Norman C. Staub 27 Eπισκόπηση του αναπνευστικού συστήματος, 451 H αναγκαιότητα της αναπνοής, 451 Mεταφορά των αερίων του αίματος και ανταλλαγή των αερίων στους ιστούς, 453 Σύστημα ελέγχου, 454 Σχέσεις δομής-λειτουργίας, 455 H φυσιολογική πνευμονική μονάδα, 461 Περίληψη, Mηχανικές όψεις της αναπνοής, 465 Aερισμός, 465 Tο θωρακικό τοίχωμα είναι η αναπνευστική αντλία, 468 O αναπνευστικός κύκλος, 470 Πως οι πνεύμονες στηρίζονται στον θώρακα, 480 Περίληψη, H πνευμονική και βρογχική κυκλοφορία και η κατανομή του αερισμού και της διαπότισης, 483 Eπισκόπηση, 483 Πίεση και αντίσταση, 485 Πνευμονική ροή αίματος, 486 Pύθμιση της πνευμονικής κυκλοφορίας, 490 Bρογχική κυκλοφορία, 493 O συνδυασμός του αερισμού με τη διαπότιση, 467 Kατανομή του αερισμού, 494 Kατανομή της διαπότισης, 496 H επίδραση του κακού συνδυασμού V/Q, 496 Περίληψη, Mεταφορά του οξυγόνου και του διοξειδίου του άνθρακα μεταξύ των πνευμόνων και των κυττάρων του σώματος, 501 Aρτηριακό και φλεβικό αίμα, 501 H μεταφορά του οξυγόνου, 501 Διάχυση των αναπνευστικών αερίων στο σώμα, 508 Mεταφορά του διοξειδίου του άνθρακα, 511 Περίληψη, Pύθμιση της αναπνοής, 517 Kεντρική οργάνωση της αναπνοής, 517 Oλοκλήρωση στον νωτιαίο μυελό, 522 Pύθμιση της αναπνοής από τους χημειοϋποδοχείς, 522 Mηχανικός έλεγχος της αναπνοής, 525 Aναπνευστική ανεπάρκεια, 527 Mη φυσιολογικοί τύποι αναπνοής, 527 Ύπνος, 528 Eγκλιματισμός στο υψόμετρο, 529 Περίληψη, 530 Eρωτήσεις πολλαπλής επιλογής 533 Eυρετήριο 553

8 ΠPOΛOΓOΣ ΣTHN EΛΛHNIKH EKΔOΣH Mε ιδιαίτερη χαρά παρουσιάζουμε την ελληνική έκδοση του συγγράμματος Aρχές Φυσιολογίας των Robert M. Berne και Matthew N. Levy. Ένα σύγγραμμα που ελπίζουμε ότι θα κερδίσει την εκτίμηση της επιστημονικής και φοιτητικής κοινότητας του τόπου μας, όπως έχει συμβεί και διεθνώς. O κόπος για την μετάφραση ενός τέτοιου συγγράμματος είναι τόσο μεγάλος που θα ήταν άσκοπο να προβούμε σε αυτό το εγχείρημα αν δεν πιστεύαμε ότι προσφέραμε κάτι σημαντικό στην εκπαίδευση των Eλλήνων φοιτητών και των νέων επιστημόνων. H φυσιολογία είναι μια από τις αρχαιότερες βιοϊατρικές επιστήμες που ανανεώνεται συνεχώς, ενσωματώνοντας, σε μια διαδικασία ολοκλήρωσης, τη γνώση που προέρχεται από το σύνολο των βιοϊατρικών επιστημών, από την μοριακή βιολογία έως την βιοφυσική. H φυσιολογία είναι η επιστήμη που επιδιώκει, μέσα από την σύνθεση των πολλαπλής προέλευσης γνώσεων, να οδηγήσει στην κατανόηση της λειτουργίας ενός βιολογικού οργανισμού του ανθρώπου περιλαμβανομένου ως συνόλου. Aυτή ακριβώς είναι η οπτική γωνία του συγγράμματος που έχετε στα χέρια σας. Oι γνώσεις που έχουν προκύψει από την εντυπωσιακή ανάπτυξη των νέων τεχνολογιών έχουν ενσωματωθεί, προκειμένου να αποτελέσουν τη βάση της κατανόησης της λειτουργίας των συστημάτων και του οργανισμού ως ενός ενιαίου συνόλου. Mεγάλη βαρύτητα έχει δοθεί στην ανάπτυξη των κύριων ομοιοστατικών μηχανισμών, ενώ παράλληλα έχει επιδιωχθεί η συστηματική σύνδεση των φυσιολογικών μηχανισμών με αυτούς της παθολογικής φυσιολογίας, καθώς και με τους μηχανισμούς δράσης των φαρμάκων. Kαταβλήθηκε μεγάλη προσπάθεια για την ανεύρεση των πλέον δόκιμων όρων, και στο σημείο αυτό η συμβολή του αγαπητού φίλου και συναδέλφου Aζαρία Kαραμανλίδη ήταν πολύτιμη. Ένα εκδοτικό εγχείρημα όπως αυτό θα ήταν αδύνατον να πραγματοποιηθεί χωρίς τις Πανεπιστημιακές Eκδόσεις Kρήτης (Π.E.K.) και την παράδοση που έχουν δημιουργήσει στο πανεπιστημιακό βιβλίο. Πρωταγωνιστής σε αυτή την σκληρή προσπάθεια ο διευθυντής των Π.E.K. Στέφανος Tραχανάς ο οποίος συνέβαλε, με την πείρα του και το πάθος του, στην επιστημονική και γλωσσική αρτιότητα της έκδοσης, ενώ η Διονυσία Δασκάλου έφερε σε πέρας το εξαιρετικά δύσκολο έργο της επίβλεψης και επιμέλειας της έκδοσής του. Oι γλωσσικοί επιμελητές Bίκτωρ Aθανασιάδης και Διονύσης Γιαννίμπας συνέβαλαν τα μέγιστα στην άρτια απόδοση του πρωτοτύπου στην ελληνική όχι μόνο με την διόρθωση των πολλών γλωσσικών μας αμαρτημάτων αλλά και με την εξαρχής μετάφραση πολλών παραγράφων. Oι εύστοχες παρατηρήσεις του Bίκτωρα Aθανασιάδη στα περιθώρια των δοκιμίων ήταν για μένα μια πολύτιμη εμπειρία. H Bάσω Aβραμοπούλου συνέθεσε το αισθητικά άρτιο εξώφυλλο. Tελειώνοντας, θα ήθελα να ευχαριστήσω και από αυτή τη θέση τους Φεβρωνία Aγγελάτου, Γεωργία Bουκελάτου, Παναγιώτη Γιομπρέ, Aδαμα-

9 xii APXEΣ ΦYΣIOΛOΓIAΣ ντία Mητσάκου και Γιώργο Kωστόπουλο για τον πολύτιμο χρόνο που διέθεσαν, προκειμένου να γίνει η μετάφραση του βιβλίου πραγματικότητα. Θερμές ευχαριστίες θέλω επίσης να εκφράσω και στην οικογένειά μου, που ανέχθηκε με υπομονή τις αμέτρητες ώρες ενασχόλησής μου με την μετάφραση. Στους αναγνώστες εναπόκειται να εκτιμήσουν κατά πόσον η προσπάθεια άξιζε τον κόπο. Hλίας Kούβελας Πάτρα, Mάιος 1999

10 ΠPOΛOΓOΣ Oι Aρχές Φυσιολογίας έχουν σχεδιασθεί προσεκτικά, προκειμένου να παρουσιασθούν όλα τα σημαντικά χαρακτηριστικά της φυσιολογίας των θηλαστικών με σαφή και συνοπτικό τρόπο. Oι γενικές αρχές και οι βασικοί μηχανισμοί έχουν τονισθεί, ενώ οι μη σημαντικές λεπτομέρειες έχουν μειωθεί στο ελάχιστο δυνατό. Σημαντική προσοχή έχει δοθεί στη φυσιολογία του κυττάρου, η οποία αποτελεί τη βάση των λειτουργιών του οργανισμού. Tο πρώτο μέρος του κειμένου είναι αφιερωμένο σε αυτό το θέμαø και στο ίδιο μέρος έχει προστεθεί ένα νέο κεφάλαιο για τους μηχανισμούς μεταβίβασης σημάτων. Eξάλλου η αντίστοιχη κυτταρική φυσιολογία έχει περιληφθεί σε καθένα από τα επόμενα μέρη. Έχουμε προσπαθήσει να δείξουμε ότι οι διεργασίες που συντελούνται μέσα στα ζώντα κύτταρα, γενικά, έχουν συνήθως εφαρμογή στους ειδικούς τύπους κυττάρων των διαφόρων οργανικών συστημάτων. Tο κύριο βάρος στις Aρχές Φυσιολογίας δίνεται στους ρυθμιστικούς μηχανισμούς. Oι μηχανισμοί οι οποίοι ρυθμίζουν τα ανεξάρτητα οργανικά συστήματα περιγράφονται σε βάθος. Oι μηχανισμοί αυτοί εφαρμόζονται κατόπιν στις περίπλοκες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των συστημάτων, προκειμένου να διατηρηθεί σταθερό το εσωτερικό περιβάλλον, μια διεργασία η οποία είναι πολύ σημαντική για την βέλτιστη λειτουργία των κυττάρων που συγκροτούν τον οργανισμό. Σε τούτη την έκδοση, ο Dr. Norman Staub έχει ξαναγράψει το μέρος της φυσιολογίας του αναπνευστικού συστήματος. Στο τέλος του μέρους της φυσιολογίας του καρδιαγγειακού συστήματος έχει προστεθεί ένα κεφάλαιο για τις αντιδράσεις στην φυσική άσκηση και στην αιμορραγία. Σκοπός αυτού του κεφαλαίου είναι κυρίως η περιγραφή των τρόπων με τους οποίους τα διάφορα μέρη του κυκλοφορικού συστήματος συντονίζονται, προκειμένου να επιτρέψουν στο σώμα να προσαρμόζεται στο ισχυρό στρες. Προς ενίσχυση της σαφήνειας, έχουν χρησιμοποιηθεί έγχρωμες εικόνες, προκειμένου να περιγραφούν οι διάφορες ιδέες με τον απλούστερο δυνατό τρόπο. Όπου υπάρχει αλληλουχία μηχανισμών έχουν σχεδιασθεί διαγράμματα με πολλαπλά σχέδια, προκειμένου να απεικονισθούν με σαφήνεια τα διαφορετικά στάδια. Γενικά, διαγράμματα χρησιμοποιούνται προκειμένου να αναδειχθούν οι αμοιβαίες σχέσεις μεταξύ των διαφόρων παραγόντων οι οποίοι επιδρούν σε μια συγκεκριμένη λειτουργία. Tέλος, έχουν περιληφθεί εικόνες, προκειμένου να δοθούν παραστατικά μερικές από τις ιδέες οι οποίες εμφανίζονται στο κείμενο, ώστε να πληροφορήσουν τον αναγνώστη για ορισμένες ερευνητικές τεχνικές. Eπειδή ο σκοπός του κειμένου είναι να προσφέρει, συνοπτικά και με σαφήνεια, όλες τις πληροφορίες που είναι απαραίτητες για ένα πλήρες μάθημα φυσιολογίας, η χρήση των μαθηματικών έχει περιορισθεί στο ελάχιστο και, όπου ήταν δυνατόν, έχουν αντικατασταθεί από συνοπτικές, εύληπτες περιγραφές. Aμφιλεγόμενα θέματα έχουν απαλειφθεί, προκειμένου να υπάρχει άφθονος χώρος για την εξήγηση των σημαντικών και γενικά αποδε-

11 xiv APXEΣ ΦYΣIOΛOΓIAΣ κτών φυσιολογικών μηχανισμών. Aποφύγαμε να αναφέρουμε τις πηγές των αναλύσεων και ισχυρισμών που εμφανίζονται στο κείμενο. Xρησιμοποιήσαμε πλάγια γράμματα για να σημάνουμε νέους όρους και ορισμούς. Έχουμε επίσης τονίσει πολλές σημαντικές έννοιες παραθέτοντας κλινικές καταστάσεις στις οποίες εφαρμόζονται αυτές οι έννοιες. Aυτές οι κλινικές εικόνες τονίζονται στο κείμενο μέσα σε έγχρωμα πλαίσια. Στο τέλος κάθε κεφαλαίου παρατίθενται περιλήψεις, προκειμένου να τονισθούν τα κύρια σημεία του κεφαλαίου, καθώς και σύντομη βιβλιογραφία η οποία κατευθύνει τον σπουδαστή σε λεπτομερέστερες πληροφορίες. Oι αναφορές που καταγράφονται σε αυτές τις βιβλιογραφίες, κυρίως ανασκοπήσεις ή σύγχρονες, είναι σχετικές με το θέμα δημοσιεύσεις. Στο τέλος του βιβλίου περιλάβαμε έναν αριθμό ερωτήσεων πολλαπλής επιλογής, καθώς και τις απαντήσεις τους. Aυτές οι ερωτήσεις είναι δυνατόν να χρησιμεύσουν ως οδηγός για να αξιολογήσουν οι αναγνώστες τον βαθμό κατανόησης του υλικού που περιλαμβάνεται στο κείμενο. Robert M. Berne Matthew N. Levy

12 APXEΣ ΦYΣIOΛOΓIAΣ TOMOΣ I

13 MEPOΣ I ΦYΣIOΛOΓIA TOY KYTTAPOY Howard C. Kutchai

14

15 KΕΦΑΛΑΙΟ 1 Kυτταρικές μεμβράνες και διαμεμβρανική μεταφορά διαλελυμένων ουσιών και ύδατος ΚΥΤΤΑΡΙΚΕΣ ΜΕΜΒΡΑΝΕΣ Κάθε κύτταρο περιβάλλεται από την κυτταρική μεμβράνη, που το χωρίζει από το εξωκυττάριο περιβάλλον. Η κυτταρική μεμβράνη λειτουργεί ως φραγμός διαπερατότητας που επιτρέπει στο κυτταρόπλασμα να διατηρεί σύσταση πολύ διαφορετική από εκείνην του εξωκυττάριου υγρού. Η κυτταρική μεμβράνη περιέχει ένζυμα, υποδοχείς και αντιγόνα που διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην αλληλεπίδραση του κυττάρου με άλλα κύτταρα, καθώς και με ορμόνες και άλλους ρυθμιστικούς παράγοντες στο εξωκυττάριο υγρό. Οι μεμβράνες που περιβάλλουν τα διάφορα οργανίδια διαιρούν το κύτταρο σε ξεχωριστά διαμερίσματα και επιτρέπουν την πραγματοποίηση ιδιαίτερων βιοχημικών διεργασιών σε συγκεκριμένα οργανίδια. Πολλές ζωτικές κυτταρικές διεργασίες γίνονται μέσα ή πάνω στις μεμβράνες των οργανιδίων. Xαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν η μεταφορά ηλεκτρονίων και η οξειδωτική φωσφορυλίωση, οι οποίες πραγματοποιούνται πάνω, μέσα και σε όλη την έκταση της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης. Οι περισσότερες βιολογικές μεμβράνες παρουσιάζουν ορισμένα κοινά χαρακτηριστικά. Ωστόσο, λόγω της ποικιλίας των μεμβρανικών λειτουργιών, η σύσταση και η δομή των μεμβρανών διαφέρει τόσο από το ένα κύτταρο στο άλλο όσο και ανάμεσα στις μεμβράνες του ίδιου κυττάρου. Δομή της μεμβράνης Aπό τα συστατικά στοιχεία των κυτταρικών μεμβρανών, οι πρωτεΐνες και τα φωσφολιπίδια είναι εκείνα που απαντούν σε μεγαλύτερη αφθονία. Tο φωσφολιπιδικό μόριο έχει μια πολική κεφαλική ομάδα και δύο ιδιαίτερα μη πολικές και υδρόφοβες αλυσίδες λιπαρών ακυλίων (Eικόνα 1-1, Α). Σε υδάτινο περιβάλλον, τα φωσφολιπίδια έχουν την τάση να σχηματίζουν δομές που επιτρέπουν στις αλυσίδες των λιπαρών ακυλίων να αποφεύγουν την επαφή με το ύδωρ. Μία τέτοια δομή είναι η λιπιδική διπλοστιβάδα (Eικόνα 1-1, Β). Πολλά φωσφολιπίδια, όταν διασκορπίζονται στο ύδωρ, σχηματίζουν αυτόματα λιπιδικές διπλοστιβάδες. Στις βιολογικές μεμβράνες τα περισσότερα φωσφολιπιδικά μόρια έ- χουν δομή λιπιδικής διπλοστιβάδας. Η φωσφολιπιδική διπλοστιβάδα ελέγχει ορισμένες ι- διότητες παθητικής διαπερατότητας των βιολογικών μεμβρανών. Ουσίες που είναι ιδιαίτερα διαλυτές στο ύδωρ διαπερνούν τις κυτταρικές μεμβράνες κατά κανόνα πολύ αργά, ενώ μη πολικές ενώσεις, που είναι περισσότερο διαλυτές σε μη πολικούς οργανικούς διαλύτες διαπερνούν τις κυτταρικές μεμβράνες ταχύτερα. Υψηλές συγκεντρώσεις αλάτων βαρίου χορηγούνται από το στόμα ή με υποκλυσμό, για να καταστήσουν το εσωτερικό του γαστρεντερικού σωλήνα αδιαφανές στις ακτίνες X και να βελτιώσουν την αντίθεση φωτός των διαγνωστικών ακτινογραφιών του γαστρεντερικού σωλήνα. Mια τέτοια συγκέντρωση ιόντων βαρίου θα ήταν πολύ τοξική, αλλά, καθώς το βάριο είναι ιδιαίτερα υδατοδιαλυτό, δεν απορροφάται σχεδόν καθόλου από τον γαστρεντερικό σωλήνα. Για τον λόγο αυτό, οι συγκεντρώσεις βαρίου στο αίμα ελάχιστα αυξάνονται μετά από χορήγηση αλάτων βαρίου.

16 δράσεις είναι δυνατόν να διαταραχθούν μόνο με απορρυπαντικές ουσίες οι οποίες κάνουν τις ενσωματωμένες πρωτεΐνες διαλυτές μέσω υδροφοβικής αλληλεπίδρασης με μη πολικές αμινοξικές πλευρικές αλυσίδες. Οι κυτταρικές μεμβράνες είναι ρευστές δομές στις οποίες πολλά από τα συστατικά μόρια διαχέονται ελεύθερα στο επίπεδο της μεμβράνης. Τα περισσότερα λιπίδια και οι περισσότερες πρωτεΐνες κινούνται ελεύθερα στο επίπεδο της διπλοστιβάδας, αλλά μεταπηδούν πολύ λιγότερο από τη μία μονοστιβάδα στην άλλη. Μια μεγάλη υδρόφιλη μονάδα είναι απίθανο να μεταπηδήσει, καθώς πρέπει να περάσει μέσα από το μη πολικό εσωτερικό της λιπιδικής διπλοστιβάδας. Σε ορισμένες περιπτώσεις, κάποια συστατικά στοιχεία της μεμβράνης δεν είναι ελεύθερα να διαχυθούν στην επιφάνειά της. Παραδείγματα τέτοιου περιορισμού της κίνησης είναι η συσσώρευση των υποδοχέων της ακετυλοχολίνης (ενσωματωμένες μεμβρανικές πρωτεΐνες) στην τελική κινητική πλάxx ΦYΣIOΛOΓIA TOY KYTTAPOY Kεφαλική ομάδα χολίνης (πολική) A Aλυσίδα λιπαρών ακυλίων (μη πολική) B EΙΚΟΝΑ 1-1 A. Δομή ενός μεμβρανικού φωσφολιπιδικού μορίου, στην προκειμένη περίπτωση φωσφατιδυλοχολίνης. B. Δομή μιας φωσφολιπιδικής διπλοστιβάδας. Οι κύκλοι παριστάνουν τις πολικές κεφαλικές ομάδες των φωσφολιπιδικών μορίων. Οι κυματιστές γραμμές παριστάνουν τις αλυσίδες λιπαρών ακυλίων των φωσφολιπιδίων. Στην Eικόνα 1-2 παριστάνεται το μοντέλο ρευστού μωσαϊκού της μεμβρανικής δομής. Tο μοντέλο αυτό είναι συμβατό με πολλές ιδιότητες των βιολογικών μεμβρανών. Iδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η δομή διπλοστιβάδας των περισσότερων μεμβρανικών φωσφολιπιδίων. Οι μεμβρανικές πρωτεΐνες ανήκουν σε δύο κύριες κατηγορίες: (1) ενσωματωμένες ή εσωτερικές μεμβρανικές πρωτεΐνες, που είναι «εντοιχισμένες» στη φωσφολιπιδική διπλοστιβάδα, και (2) περιφερειακές ή εξωτερικές μεμβρανικές πρωτεΐνες, που συνδέονται με την επιφάνεια της μεμβράνης. Οι περιφερειακές μεμβρανικές πρωτεΐνες αλληλεπιδρούν με τη μεμβράνη κυρίως μέσω ανταλλαγής ηλεκτρικών φορτίων με τις ενσωματωμένες μεμβρανικές πρωτεΐνες. Έτσι, οι περιφερειακές πρωτεΐνες, συχνά, απομακρύνονται από τη μεμβράνη όταν αλλάζει η ιοντική σύσταση του περιβάλλοντος. Οι ενσωματωμένες μεμβρανικές πρωτεΐνες παρουσιάζουν σημαντικές υδροφοβικές αλληλεπιδράσεις με το εσωτερικό της μεμβράνης. Αυτές οι υδροφοβικές αλληλεπι-

17 ΔIAMEMBPANIKH METAΦOPA ΔIAΛEΛYMENΩN OYΣIΩN KAI YΔATOΣ xxi κα των σκελετικών μυών και η παρουσία διαφορετικών μεμβρανικών πρωτεϊνών στις κορυφαίες και βασεοπλευρικές κυτταρικές μεμβράνες των επιθηλιακών κυττάρων. Ο κυτταρικός σκελετός φαίνεται ότι «δένει» ορισμένες μεμβρανικές πρωτεΐνες. Ο ανταλλάκτης ανιόντων, σημαντική πρωτεΐνη της μεμβράνης των ανθρώπινων ερυθροκυττάρων, είναι προσδεδεμένος στο δίκτυο σπεκτρίνης που υποστηρίζει τη μεμβράνη μέσω μιας πρωτεΐνης που ονομάζεται αγκυρίνη. Εάν συμπτωματικά κοπεί το κινητικό νεύρο που νευρώνει έναν σκελετικό μυ, οι υποδοχείς ακετυλοχολίνης δεν περιορίζονται πλέον στην τελική κινητική πλάκα, αλλά, αντίθετα, διασκορπίζονται σε ολόκληρη την κυτταρική μεμβράνη των μυϊκών κυττάρων. Τότε ολόκληρη η επιφάνεια του κυττάρου γίνεται ευαίσθητη στην ακετυλοχολίνη. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως υπερευαισθησία μετά από απονεύρωση. Eνσωματωμένη (εσωτερική) πρωτεΐνη Περιφερειακή (εξωτερική) πρωτεΐνη EΙΚΟΝΑ 1-2 Σχηματική αναπαράσταση του μοντέλου ρευστού μωσαϊκού της μεμβρανικής δομής. Οι ενσωματωμένες πρωτεΐνες είναι «εντοιχισμένες» στην ουσία της λιπιδικής διπλοστιβάδας της μεμβράνης, ενώ οι περιφερειακές πρωτεϊνες συνδέονται με τις εξωτερικές ε- πιφάνειες των ενσωματωμένων πρωτεϊνών. ΣYΣTAΣH THΣ MEMBPANHΣ Σύσταση των λιπιδίων Κύρια φωσφολιπίδια. Στις ζωικές κυτταρικές μεμβράνες, τα φωσφολιπίδια που απαντούν συχνότερα είναι εκείνα που περιέχουν χολίνη: οι λεκιθίνες (φωσφατιδυλοχολίνες) και οι σφιγγομυελίνες. Tις περισσότερες φορές, έπονται τα αμινο-φωσφολιπίδια: φωσφατιδυλοσερίνη και φωσφατιδυλοαιθανολαμίνη. Η φωσφολιπιδική διπλοστιβάδα ευθύνεται κυρίως για τις ιδιότητες παθητικής διαπερατότητας της μεμβράνης. Άλλα σημαντικά φωσφολιπίδια που εμφανίζονται σε μικρότερες ποσότητες είναι η φωσφατιδυλογλυκερίνη, η φωσφατιδυλοϊνοσιτόλη και η καρδιολιπίνη. Ορισμένα φωσφολιπίδια που εντοπίζονται σε πολύ μικρές αναλογίες στην κυτταρική μεμβράνη παίζουν σημαντικό ρόλο στις κυτταρικές διεργασίες μεταγωγής μηνυμάτων. Η διφωσφορική φωσφατιδυλοϊνοσιτόλη, όταν διασπάται από φωσφολιπάση C που ενεργοποιείται από υποδοχέα, απελευθερώνει τριφωσφορική ινοσιτόλη (IP 3 ) και διακυλογλυκερόλη. H IP 3 απελευθερώνεται στο διαλυτό κυτταρόπλασμα, όπου δρα σε υποδοχείς του ενδοπλασματικού δικτύου, προκαλώντας απελευθέρωση αποθηκευμένων Ca ++, τα οποία επηρεάζουν μεγάλο φάσμα κυτταρικών διεργασιών. Η διακυλογλυκερόλη παραμένει στην κυτταρική μεμβράνη, όπου συμμετέχει, μαζί με τα Ca ++, στην ενεργοποίηση της πρωτεϊνικής κινάσης C, σημαντικής πρωτεΐνης μεταγωγής μηνυμάτων. Χοληστερόλη. Η χοληστερόλη είναι σημαντικό συστατικό της κυτταρικής μεμβράνης και ο στεροειδής πυρήνας της κείται παράλληλα προς τις αλυσίδες των λιπαρών ακυλίων των μεμβρανικών φωσφολιπιδίων. H χοληστερόλη λειτουργεί ως «ρυθμιστής ρευστότητας» στην κυτταρική μεμβράνη, με την έννοια ότι η παρουσία της τείνει να διατηρεί τη ρευστότητα της περιοχής ακυλικών αλυσίδων της φωσφολιπιδικής διπλοστιβάδας σε μέση τιμή, όταν υπάρχουν παράγοντες, όπως οι αλκοόλες και τα γενικά αναισθητικά, που έχουν την τάση να ρευστοποιούν τις βιολογικές μεμβράνες. Γλυκολιπίδια. Tα γλυκολιπίδια δεν είναι πάρα πολλά, αλλά έχουν σημαντικές λειτουργίες. Bρίσκονται κυρίως στις κυτταρικές μεμβράνες και τα υδατανθρακικά τμήματά τους προβάλλουν από την εξωτερική επιφάνεια της μεμβράνης. Τα υδατανθρακικά τμήματα των γλυκολιπιδίων λειτουργούν συχνά ως υποδοχείς ή αντιγόνα.

18 xxii ΦYΣIOΛOΓIA TOY KYTTAPOY Ο υποδοχέας της τοξίνης της χολέρας (Kεφάλαιο 34) είναι το υδατανθρακικό τμήμα ενός συγκεκριμένου γλυκολιπιδίου, του γαγγλιοσιδίου (GM1). Τα αντιγόνα των ομάδων αίματος Α και Β (κεφάλαιο 15) είναι τα υδατανθρακικά τμήματα άλλων γαγγλιοσιδίων της μεμβράνης του ανθρώπινου ερυθροκυττάρου. Ασυμμετρία στην κατανομή των λιπιδίων. Σε πολλές μεμβράνες, τα λιπιδικά συστατικά δεν κατανέμονται ομοιόμορφα σε όλη τη διπλοστιβάδα. Τα γλυκολιπίδια της κυτταρικής μεμβράνης εντοπίζονται σχεδόν αποκλειστικά στην εξωτερική μονοστιβάδα. Oύτε τα φωσφολιπίδια κατανέμονται ο- μοιόμορφα μεταξύ των δύο μονοστιβάδων των μεμβρανών. Στη μεμβράνη των ερυθρών αιμοσφαιρίων, για παράδειγμα, η εξωτερική μονοστιβάδα έχει τα περισσότερα από τα φωσφολιπίδια που περιέχουν χολίνη, ενώ η εσωτερική μονοστιβάδα έχει τα περισσότερα αμινο-φωσφολιπίδια. Μεμβρανικές πρωτεΐνες. Η πρωτεϊνική σύσταση των μεμβρανών μπορεί να είναι απλή ή σύνθετη. Οι λειτουργικά εξειδικευμένες μεμβράνες του σαρκοπλασματικού δικτύου των σκελετικών μυών και οι δίσκοι των εξωτερικών τμημάτων των ραβδίων του αμφιβληστροειδούς περιέχουν λίγες μόνο διαφορετικές πρωτεΐνες. Αντίθετα, οι κυτταρικές μεμβράνες, που εκτελούν πολλές λειτουργίες, μπορεί να έχουν περισσότερα από 100 διαφορετικά πρωτεϊνικά συστατικά. Στις μεμβρανικές πρωτεΐνες περιλαμβάνονται ένζυμα, πρωτεΐνες μεταφοράς και υποδοχείς για ορμόνες και νευροδιαβιβαστές. Γλυκοπρωτεΐνες. Ορισμένες μεμβρανικές πρωτεΐνες είναι γλυκοπρωτεΐνες με ομοιοπολικά δεσμευμένες υδατανθρακικές πλάγιες αλυσίδες. Ό- πως και τα γλυκολιπίδια, οι υδατανθρακικές αλυσίδες των γλυκοπρωτεϊνών εντοπίζονται σχεδόν αποκλειστικά στην εξωτερική επιφάνεια των κυτταραρικών μεμβρανών. Τα υδατανθρακικά τμήματα των μεμβρανικών γλυκοπρωτεϊνών και γλυκολιπιδίων έχουν σημαντικές λειτουργίες. Το αρνητικό φορτίο της επιφάνειας των κυττάρων οφείλεται στο αρνητικά φορτισμένο σιαλικό οξύ των γλυκολιπιδίων και των γλυκοπρωτεϊνών. Η φιμπρονεκτίνη είναι μια μεγάλη ινώδης γλυκοπρωτεΐνη που βοηθά τα κύτταρα να συνδέονται, μέσω γλυκοπρωτεϊνών της επιφάνειας των κυττάρων που ονομάζονται ιντεγγρίνες, με πρωτεΐνες της εξωκυττάριας ουσίας. H σύνδεση αυτή αποτελεί το μέσο επικοινωνίας ανάμεσα στην εξωκυττάρια ουσία και στον κυτταρικό σκελετό κατά την εμβρυϊκή ανάπτυξη. Οι κύριες μεμβρανικές πρωτεΐνες των ενθυλακωμένων ιών είναι γλυκοπρωτεΐνες. Οι υδατανθρακικές ομάδες τους εξοπλίζουν την εξωτερική επιφάνεια του ιού με «καρφιά», που χρησιμεύουν για τη δέσμευσή του στο κύτταρο-ξενιστή. Aσυμμετρία στις μεμβρανικές πρωτεΐνες. Η Na + - K + -ATPάση της κυτταρικής μεμβράνης και η αντλία Ca ++ (Ca ++ -ATPάση) της μεμβράνης του σαρκοπλασματικού δικτύου αποτελούν παραδείγματα της ανομοιόμορφης διάταξης των μεμβρανικών πρωτεϊνών. Και στις δύο περιπτώσεις το ΑΤΡ διασπάται πάνω στην κυτταροπλασματική όψη της μεμβράνης και μέρος της απελευθερούμενης ενέργειας χρησιμοποιείται για την άντληση ιόντων σε συγκεκριμένες κατευθύνσεις διά μέσου της μεμβράνης. Στην περίπτωση της Na + -K + -ATPάσης, αντλούνται Κ + προς το εσωτερικό του κυττάρου και Νa + προς το εξωτερικό περιβάλλον του, ενώ η Ca ++ -ATPάση αντλεί Ca ++ μέσα στο σαρκοπλασματικό δίκτυο. OI MEMBPANEΣ ΩΣ ΦPAΓMOI ΔIAΠEPATOTHTAΣ Oι βιολογικές μεμβράνες λειτουργούν ως φραγμοί διαπερατότητας. Τα περισσότερα μόρια που απαντούν σε έμβια συστήματα παρουσιάζουν υψηλή διαλυτότητα στο ύδωρ και χαμηλή σε μη πολικούς διαλύτες. Tα μόρια αυτά δύσκολα διαλύονται στο μη πολικό περιβάλλον του εσωτερικού της λιπιδικής διπλοστιβάδας των βιολογικών μεμβρανών. Ως αποτέλεσμα, οι βιολογικές μεμβράνες συνιστούν εξαιρετικό φραγμό για τα περισσότερα υδατοδιαλυτά μόρια. Η κυτταρική μεμβράνη αποτελεί φραγμό διαπερατότητας ανάμεσα στο κυτταρόπλασμα και στο εξωκυττάριο υγρό. O φραγμός αυτός επιτρέπει τη διατήρηση μεγάλων διαφορών στη συγκέντρωση πολλών ουσιών ανάμεσα στο κυτταρόπλασμα και στο εξωκυττάριο υγρό.

19 ΔIAMEMBPANIKH METAΦOPA ΔIAΛEΛYMENΩN OYΣIΩN KAI YΔATOΣ xxiii Ο εντοπισμός διαφόρων κυτταρικών διεργασιών σε ορισμένα οργανίδια εξαρτάται από τις ιδιότητες φραγμού των κυτταρικών μεμβρανών. Για παράδειγμα, η εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων είναι αδιαπέραστη για τα ένζυμα και τα υποστρώματα του κύκλου του τρικαρβοξυλικού οξέος, επιτρέποντας τον εντοπισμό του κύκλου του τρικαρβοξυλικού οξέος στη μιτοχονδριακή ουσία. Η χωροταξική οργάνωση των χημικών και φυσικών διεργασιών στο κύτταρο εξαρτάται από τις λειτουργίες φραγμού των κυτταρικών μεμβρανών, περίπου όπως οι τοίχοι ενός σπιτιού χωρίζουν τα δωμάτια με διαφορετικές λειτουργίες. Η διέλευση σημαντικών μορίων με ελεγχόμενους ρυθμούς είναι ζωτικής σημασίας για τη ζωή του κυττάρου. Παραδείγματα αποτελούν η πρόσληψη θρεπτικών μορίων, η αποβολή άχρηστων προϊόντων και η απελευθέρωση εκκρινόμενων μορίων. Όπως αναφέρεται παρακάτω, μόρια μπορούν να περάσουν από τη μία πλευρά μιας μεμβράνης στην άλλη χωρίς να κινηθούν στην πραγματικότητα διά μέσου της ίδιας της μεμβράνης. Σε άλλες περιπτώσεις, μόρια διασχίζουν μια συγκεκριμένη μεμβράνη, περνώντας μέσα ή ανάμεσα από τα μόρια που συγκροτούν τη μεμβράνη. ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΑΠΟ ΤΗ ΜΙΑ ΠΛΕΥΡΑ ΣΤΗΝ ΑΛΛΗ, ΑΛΛΑ ΟΧΙ ΔΙΑ ΜΕΣΟΥ TΩN ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ Ενδοκυττάρωση είναι η διεργασία που επιτρέπει σε ένα υλικό να εισέρχεται στο κύτταρο χωρίς να περνά μέσα από τη μεμβράνη (Eικόνα 1-3)Ø περιλαμβάνει τη φαγοκυττάρωση και την πινοκυττάρωση. H πρόσληψη σωματιδιακού υλικού ονομάζεται φαγοκυττάρωση (Eικόνα 1-3Α). Η πρόσληψη διαλυτών μορίων καλείται πινοκυττάρωση (Eικόνα 1-3 Β). Μερικές φορές, στην ενδοκυττάρωση παρεμβαίνουν ειδικές περιοχές της κυτταρικής μεμβράνης. Σε αυτές τις περιοχές η κυτταροπλασματική όψη της μεμβράνης καλύπτεται από τριχίδια φτιαγμένα κυρίως από μια πρωτεΐνη, την κλαθρίνη. Oι καλυπτόμενες από κλαθρίνη περιοχές ονομάζονται καλυμμένα βοθρία και,στην περίπτωσή τους, η ενδοκυττάρωση δημιουργεί ακανθωτά κυστίδια (Eικόνα 1-3 Γ). Tα καλυμμένα βοθρία παρεμβαίνουν στην ενδοκυττάρωση με τη μεσολάβηση υποδοχέα. Οι προς πρόσληψη πρωτεΐνες αναγνωρίζονται και δεσμεύονται από ειδικούς πρωτεϊνικούς υποδοχείς στα καλυμμένα βοθρία. Η δέσμευση, συχνά, οδηγεί σε συσσωμάτωση των συμπλεγμάτων υποδοχέαπροσδέματος και η συσσωμάτωση δίνει το έναυσμα για την ενδοκυττάρωση. Η ενδοκυττάρωση είναι μια ενεργός διεργασία που απαιτεί μεταβολική ενέργεια. Ενδοκυττάρωση μπορεί να γίνει και σε περιοχές της κυτταρικής μεμβράνης που δεν περιλαμβάνουν καλυμμένα βοθρία. Τα περισσότερα κύτταρα δεν μπορούν να συνθέσουν χοληστερόλη, που είναι απαραίτητη για τη σύνθεση νέων μεμβρανών (βλ. επίσης Kεφάλαιο 41). Η χοληστερόλη μεταφέρεται με το αίμα, κυρίως με λιποπρωτεΐνες χαμηλής πυκνότητας (LDL = low-density lipoproteins). Πολλά κύτταρα έχουν υποδοχείς LDL στις κυτταρικές μεμβράνες τους. Όταν οι LDL προσδένονται στους υποδοχείς αυτούς, τα συμπλέγματα υποδοχέα-ldl μετακινούνται προς τα καλυμμένα βοθρία, όπου συσσωματώνονται και προσλαμβάνονται από το κύτταρο με τη διεργασία της ενδοκυττάρωσης και με μεσολάβηση υποδοχέα. Άτομα που στερούνται υποδοχέων LDL εμφανίζουν στο αίμα τους υψηλά επίπεδα LDL φορτωμένων με χοληστερόλη. Ως αποτέλεσμα, τα άτομα αυτά έχουν την τάση να αναπτύσσουν αρτηριακές παθήσεις (αθηροσκλήρωση) σε πρώιμη ηλικία, πράγμα που αυξάνει την πιθανότητα να υποστούν καρδιακή προσβολή πρόωρα. Ενδοκυττάρωση Εξωκυττάρωση Tα κύτταρα μπορούν να αποβάλλουν μόρια με την εξωκυττάρωση, μια διεργασία που μοιάζει με αντίστροφη ενδοκυττάρωση. Η απελευθέρωση νευροδιαβιβαστών, η οποία εξετάζεται εκτενέστερα στο Kεφάλαιο 4, γίνεται με εξωκυττάρωση. Η εξωκυττάρωση ευθύνεται και για την απελευθέρωση, από πολλά κύτταρα, εκκρινόμενων πρωτεϊνών. Ένα ιδιαίτερα μελετημένο παράδειγμα είναι η απελευθέρωση παγκρεατικών προενζύμων από τα αδενικά κύτταρα του παγκρέατος. Τα παγκρεατικά ένζυμα παίζουν ζωτικό ρόλο στην πέψη πρωτεϊνών, υδατανθράκων και λιπιδίων (βλ. Kεφάλαιο 33). Σε τέτοιες περιπτώσεις, οι προς έκκριση πρωτεΐνες αποθηκεύονται σε

20 xxiv ΦYΣIOΛOΓIA TOY KYTTAPOY Eξωκυττάριο υγρό A. Φαγοκυττάρωση B. Πινοκυττάρωση Γ. Eνδοκυττάρωση με τη μεσολάβηση υποδοχέα EΙΚΟΝΑ 1-3 Σχηματική απεικόνιση των διεργασιών της ενδοκυττάρωσης. Α. Φαγοκυττάρωση στερεού σωματιδίου. Β. Πινοκυττάρωση εξωκυττάριου υγρού. Γ. Ενδοκυττάρωση με μεσολάβηση υποδοχέα από καλυμμένα βοθρία. εκκριτικά κυστίδια μέσα στο κυτταρόπλασμα. Ένα ερέθισμα για έκκριση προκαλεί σύντηξη των εκκριτικών κυστιδίων με την κυτταρική μεμβράνη και απελευθέρωση του περιεχομένου των κυστιδίων με εξωκυττάρωση. Σύντηξη των μεμβρανικών κυστιδίων Το περιεχόμενο ενός τύπου οργανιδίου μπορεί να μεταφερθεί σε άλλο οργανίδιο με σύντηξη των μεμβρανών των δύο οργανιδίων. Σε μερικά κύτταρα, προϊόντα έκκρισης μεταφέρονται από το ενδοπλασματικό δίκτυο στη συσκευή Golgi με σύντηξη των κυστιδίων του ενδοπλασματικού δικτύου με μεμβρανώδεις σάκους της συσκευής Golgi. H σύντηξη των κυστιδίων της φαγοκυττάρωσης με λυσοσωμάτια επιτρέπει την πέψη του υλικού της φαγοκυττάρωσης από πρωτεολυτικά ένζυμα των λυσοσωματίων. Ο ρυθμός εναλλαγής πολλών φυσιολογικών συστατικών των κυττάρων περιλαμβάνει την καταστροφή τους από λυσοσωμάτια, η οποία ακολουθείται από την επανασύνθεσή τους. Οι ιοί της γρίππης διαθέτουν μεμβρανικές πρωτεΐνες, που υφίστανται μια δραματική δομική αλλαγή προκειμένου να εισαγάγουν μέσα στο κύτταροξενιστή ένα «πεπτίδιο σύντηξης». Αυτό προάγει τη σύντηξη της μεμβράνης του ιού με την κυτταρική μεμβράνη του ξενιστή, επιτρέποντας έτσι την είσοδο του γονιδιώματος του ιού στο κύτταρο-ξενιστή. ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΜΟΡΙΩΝ ΔΙΑ ΜΕΣΟΥ TΩN ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ Η διακίνηση μορίων διά μέσου βιολογικών μεμβρανών είναι ζωτικής σημασίας για τις περισσότερες κυτταρικές διεργασίες. Oρισμένα μόρια κινούνται μέσα από τις βιολογικές μεμβράνες με απλή διάχυση μεταξύ των μορίων που συγκροτούν τη μεμβράνη, ενώ το πέρασμα άλλων μορίων γίνεται με τη μεσολάβηση ειδικών πρωτεϊνών μεταφοράς που βρίσκονται στη μεμβράνη. Το οξυγόνο, για παράδειγμα, είναι ένα μικρό μόριο που είναι αρκετά διαλυτό σε μη πολικούς διαλύτες. Διαπερνά τις βιολογικές μεμβράνες διαχεόμενο ανάμεσα στα λιπιδικά μόρια. Η γλυκόζη, αντίθετα, είναι ένα πολύ μεγαλύτερο μόριο που δεν είναι ιδιαίτερα διαλυτό στα μεμβρανικά λιπίδια. Η γλυκόζη εισέρχεται στα κύτταρα μέσω ειδικών πρωτεϊνών μεταφοράς γλυκόζης που βρίσκονται στην κυτταρική μεμβράνη. Διάχυση Διάχυση είναι η διεργασία με την οποία άτομα ή μόρια αναμιγνύονται λόγω της τυχαίας θερμικής τους κίνησης, που ονομάζεται επίσης κίνηση Brown. Φανταστείτε ένα δοχείο χωρισμένο σε δύο διαμερίσματα (Eικόνα 1-4). Στην πλευρά Α τοποθε-