Ενότητα: Εισαγωγικές έννοιες-μέθοδοι μελέτης κυττάρων

Transcript

1 Τίτλος Μαθήματος: Βιολογία Ι Ενότητα: Εισαγωγικές έννοιες-μέθοδοι μελέτης κυττάρων Διδάσκοντες: Σ. Γεωργάτος, Θ. Τζαβάρας, Ε. Κωλέττας, Χ. Αγγελίδης, Π. Κούκλης, Σύρρου M. Υπεύθυνη μαθήματος: Μ. Σύρρου Τμήμα: Ιατρικής

2 ΜΕΡΟΣ Ι: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Γενική Επισκόπηση των Κυττάρων και της Κυτταρικής Βιολογικής Έρευνας 1.1. Προέλευση και Εξέλιξη των Κυττάρων Τα κύτταρα ταξινομούνται σε δύο κύριες κατηγορίες, με κριτήριο την ύπαρξη ή την απουσία πυρήνα. Προκαρυωτικά κύτταρα (Prokaryotic cells) Στερούνται πυρήνα και πυρηνικού φακέλου Ευκαρυωτικά κύτταρα (Eukaryotic cells) Έχουν πυρήνα στον οποίο αποθηκεύεται και απομονώνεται από το κυτταρόπλασμα το γενετικό υλικό Τα προκαρυωτικά κύτταρα είναι μικρότερα και απλούστερα από τα ευκαρυωτικά, διαθέτουν λιγότερο πολύπλοκα γονιδιώματα και δεν περιέχουν κυτταροπλασματικά οργανίδια (Πίνακας 1.1). ΠΙΝΑΚΑΣ 1.1: Προκαρυωτικά και ευκαρυωτικά κύτταρα Παρά τις διαφορές, οι ζωτικές λειτουργίες τόσο των προκαρυωτικών όσο και των ευκαρυωτικών κυττάρων ελέγχονται από τους ίδιους θεμελιώδεις μοριακούς μηχανισμούς, γεγονός που αποδεικνύει ότι όλα τα κύτταρα των σύγχρονων οργανισμών προέρχονται από ένα κοινό αρχέγονο πρόγονο. Το πρώτο κύτταρο Η ζωή εμφανίστηκε πριν από τουλάχιστον 3,8 δισεκατομμύρια χρόνια, δηλαδή ~750 εκατομμύρια χρόνια μετά τη δημιουργία της Γης. Πειράματα οδήγησαν σε σημαντικά ευρήματα σχετικά με κάποια από τα στάδια της δημιουργίας του πρώτου κυττάρου και πως προέκυψε η πολυπλοκότητα και η ποικιλότητα που παρουσιάζουν τα κύτταρα. Τη δεκαετία του 1920 διατυπώθηκε η υπόθεση ότι οι συνθήκες που θεωρητικά επικρατούσαν στην ατμόσφαιρα της πρωτόγονης Γης θα μπορούσαν να έχουν οδηγήσει στον σχηματισμό απλών οργανικών μορίων και στον αυθόρμητο πολυμερισμό τους σε μακρομόρια. Την χρονική περίδο κατά την οποία εμφανίστηκε η ζωή, η ατμόσφαιρα της Γης θεωρείται ότι περιείχε λίγο ή καθόλου ελεύθερο οξυγόνο (O2) και αποτελούνταν κυρίως από CO2 και N2 σε συνδυασμό από μικρότερα ποσά αερίων όπως H2, H2S και CO. Σε ένα τέτοιο αναγωγικό περιβάλλον μπορούν αυθόρμητα να σχηματιστούν οργανικά μόρια με τη βοήθεια μιας πηγής ενέργειας, όπως η ηλιακή ενέργεια. Ο αυθόρμητος μετασχηματισμός οργανικών μορίων αποδείχθηκε πειραματικά κατά τη δεκαετία του 1950, όταν ο Stanley Miller έδειξε ότι η εκκένωση ηλεκτρικών σπινθήρων σε ένα μίγμα H2, CH4 και NH4 παρουσία νερού οδηγεί στον σχηματισμό πολλών οργανικών μορίων, συμπεριλαμβανομένων αρκετών αμινοξέων (Εικ. 1.1). Παρόλο που τα πειράματα του Miller δεν δε αναπαρήγαγαν επακριβώς τις συνθήκες που επικρατούσαν στην πρωτόγονη Γη, απέδειξαν την πιθανότητα αυθόρμητης σύνθεσης οργανικών μορίων και αποκάλυψαν τα βασικά συστατικά από τα οποία προέκυψαν οι πρώτοι ζωντανοί οργανισμοί. 1

3 ΕΙΚΟΝΑ 1.1: Αυθόρμητος σχηματισμός οργανικών μορίων. Σε αέριο μείγμα που περιείχε CH4, NH3, H2 και υδρατμούς προκλήθηκε ηλεκτρική εκκένωση. Ανάλυση των προϊόντων της αντίδρασης αποκάλυψε τον σχηματισμό μιας ποικιλίας οργανικών μορίων, στα οποία συγκαταλέγονται τα αμινοξέα αλανίνη, ασπαρτικό οξύ, γλουταμικό οξύ και γλυκίνη. Πείραμα του Stanley Miller, 1950s. Αν και δεν αναπαρήγαγε επακριβώς τις συνθήκες που επικρατούσαν στην πρωτόγονη Γη, απέδειξε την πιθανότητα αυθόρμητης σύνθεσης οργανικών μορίων και αποκάλυψε τα βασικά συστατικά από τα οποία προέκυψαν οι πρώτοι ζωντανοί οργανισμοί. Το επόμενο βήμα στην εξέλιξη ήταν ο σχηματισμός μακρομορίων. Οι μονομερείς δομικές υπομονάδες των μακρομορίων μπορούν να πολυμερισθούν αυθόρμητα σε προβιοτικές συνθήκες (χημικές ενώσεις, φυσικές συνθήκες και διεργασίες στο περιβάλλον). Για παράδειγμα, η θέρμανση άνυδρων μειγμάτων αμινοξέων οδηγεί στον πολυμερισμό τους και τον σχηματισμό πολυπεπτιδίων (πρωτεϊνών). Όμως, το καθοριστικό χαρακτηριστικό του μακρομορίου από το οποίο προέκυψε σταδιακά η ζωή, θα πρέπει να ήταν η ικανότητα αυτοδιπλασιασμού. Μόνον ένα μακρομόριο ικανό να επάγει την σύνθεση νέων αντιγράφων του θα είχε την δυνατότητα αναπαραγωγής και περαιτέρω εξέλιξης. Από τις δύο κυριότερες τάξεις πληροφοριακών μακρομορίων στα κύτταρα του σύγχρονου οργανισμού (νουκλεϊκά οξέα και πρωτεΐνες), μόνον τα νουκλεϊκά οξέα έχουν την ικανότητα να επάγουν τον αυτοδιπλασιασμό τους. Τα νουκλεϊκά οξέα μπορούν να δράσουν ως υποστρώματα για την δικής τους σύνθεση με εκλεκτική σύζευξη βάσεων μεταξύ συμπληρωματικών νουκλεοτιδίων (Εικ. 1.2). ΕΙΚΟΝΑ 1.2: Αυτοδιπλασιασμός του RNA. Η σύζευξη συμπληρωματικών βάσεων (αδενίνη [Α] με ουρακίλη [U] και γουανίνη [G] με κυτοσίνη [C]) επιτρέπει σε μια αλυσίδα RNA να χρησιμεύει ως μήτρα για τη σύνθεση μιας νέας αλυσίδας με συμπληρωματική αλληλουχία. 2

4 Επομένως, ένα βήμα στην κατανόηση της μοριακής εξέλιξης έγινε στις αρχές της δεκαετίας του 1980 όταν ανακαλύφθηκε ότι το RNA έχει την ικανότητα να καταλύει χημικές αντιδράσεις όπως τον πολυμερισμό νουκλεοτιδίων (Sidney Altman & Tomas Cech, Nobel in Chemistry 1989 Catalytic properties of RNA ). Επιπλέον μελέτες κατέδειξαν ότι το RNA μπορεί να δρα ως καταλύτης. Μόρια RNA μπορούν να κατευθύνουν την σύνθεση μιας θυγατρικής αλυσίδας RNA από μια μήτρα RNA. Επομένως, το RNA δρα ταυτόχρονα ως μήτρα και ως καταλύτης για τον αυτοδιπλασιασμό του. Επομένως, θεωρείται ότι το το RNA αποτελεί το πρωταρχικό γενετικό σύστημα και ότι ένα πρώϊμο στάδιο χημικής εξέλιξης πιθανότατα βασίσθηκε σε αυτοδιπλασιαζόμενα μόρια RNA. Αυτή η χρονική περίοδος είναι γνωστή ως ο κόσμος του RNA (RNA world). Διαδοχικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ RNA και αμινοξέων οδήγησαν στην συνέχεια στην σταδιακή εξέλιξη του σημερινού γενετικού κώδικα και το RNA αντικαταστάθηκε τελικά από το DNA ως γενετικό υλικό. Το πρώτο κύτταρο θεωρείται ότι δημιουργήθηκε μετά από εγκλεισμό αυτοδιπλασιαζόμενου RNA σε μια μεμβράνη αποτελούμενη από φωσφολιπίδια (phospholipids) (Εικ. 1.3). ΕΙΚΟΝΑ 1.3: Εγκλεισμός του αυτοδιπλασιαζόμενου RNA σε μεμβράνη φωσφολιπιδίων. Το πρώτο κύτταρο θεωρείται ότι δημιουργήθηκε μετά από εγκλεισμό αυτοδιπλασιαζόμενου RNA και συνδεδεμένων με αυτό μορίων σε μια μεμβράνη αποτελούμενη από φωσφολιπίδια. Κάθε μόριο φωσφολιπιδίου έχει δύο μεγάλες υδρόφοβες ανθρακικές αλυσίδες ή ουρές (hydrophobic tails) συνδεδεμένες σε μια υδρόφιλη κεφαλή (Hydrophilic head) που περιέχει φωσφορικές ομάδες. Οι υδρόφοβες ουρές είναι κρυμμένες στο εσωτερικό της λιπιδικής διπλοστιβάδας, ενώ οι υδρόφιλες κεφαλές βρίσκονται εκτεθειμένες στο νερό και στις δύο πλευρές της μεμβράνης. Τα φωσφολιπίδια είναι τα βασικά συστατικά όλων των βιολογικών μεβρανών συμπεριλαμβανομένων των κτυτταροπλασματικών μεμβρανλων των προκαρυωτικών και των ευκαρυωτικών κυττάρων. Τα φωσφολιπίδια των μεβρανών είναι αμφιπαθή μόρια, δηλαδή αποτελούνται από ένα υδρόφιλο και υδρόφοβο τμήμα. Συγκεκριμένα, τα φωσφολιπίδια έχουν μακριές, αδιάλυτες στο νερό - υδρόφοβες (hydrophobic) - υδρογαναθρακικές αλυσίδες συνδεδεμένες με διαλυτές στο νερό - υδρόφιλες (hydrophilic) - κεφαλές που περιέχουν φωσφορικές ομάδες. Όταν τα φωσφολιπίδια βρεθούν σε υδατικό περιβάλλον συσσωματώνονται και σχηματίζουν αυθόρμητα μια διπλοστιβάδα. Σ' αυτή τη διαμόρφωση, οι υδρόφιλες κεφαλές τους βρίσκονται στο εξωτερικό σε άμεση επαφή με το νερό και οι υδρόφοβες ουρές τους βρίσκοντα στο εσωτερικό σε επαφή μεταξ'υ τους. Μια τέτοια διπλοστιβάδα δημιουργεί έναν σταθερό φραγμό μεταξύ δύο υδατικών διαμερισμάτων, διαχωρίζοντας, για παράδειγμα, το εσωτερικό του κυττάρου από το εξωτερικό περιβάλλον του. Με τον εγκλεισμό τους σε μια μεμβράνη φωσφολιπιδίων, τα αυτοδιπλασιζόμενα μόρια RNA και τα συσχετιζόμενα μ αυτά μόρια πιθανότητα διατηρήθηκαν ως μονάδα ικανή να αυτοαναπαράγεται και να εξελίσσεται περαιτέρω. Η κατευθυνόμενη από το RNA πρωτεϊνική σύνθεση ίσως να αναπτύχθηκε αυτή την χρονική περίοδο, και σ αυτήν την περίπτωση το πρώτο κύτταρο να αποτελείτο από αυτοαναπαραγόμενο RNA και τις κωδικοποιημένες απ αυτό πρωτεΐνες. 3

5 Η Εξέλιξη του μεταβολισμού Επειδή τα κύτταρα αναπτύχθηκαν αρχικά σε περιβάλλον πλούσιο σε οργανικά μόρια, είχαν την δυνατότητα να προσλαμβάνουν τροφή και ενέργεια απευθείας από το περιβάλλον τους. Όμως μια τέτοια κατάσταση ήταν περιοριστική, και επομένως θα έπρεπε να αναπτύξουν μηχανισμούς για την παραγωγή ενέργειας και την σύνθεση απαραίτητων μορίων για τις κυτταρικές λειτουργίες και την αναπαραγωγή τους. Η παραγωγή και η ελεγχόμενη κατανάλωση της μεταβολικής ενέργειας είναι θεμελιώδους σημασίας για όλες τις κυτταρικές λειτουργίες και οι βασικές μεταβολικές πορείες έχουν διατηρήσει όλα τους τα χαρακτηριστικά στα κύτταρα των σύγχρονων οργανισμών. Όλα τα κύτταρα χρησιμοποιούν 5 -Τριφωσφορική Αδενοσίνη (ATP; Adenosine 5'-Trisphosphate) ως πηγή μεταβολικής ενέργειας για την σύνθεση κυτταρικών συστατικών και για άλλες δραστηριότητες που καταναλώνουν ενέργεια (κίνηση, μυϊκή σύσπαση). Οι μηχανισμοί που χρησιμοποιούν τα κύτταρα για την παραγωγή ATP εξελίχθηκαν σε τρία στάδια που αντιστοιχούν στην εξέλιξη της γλυκόλυσης, της φωτοσύνθεσης και του οξειδωτικού μεταβολισμού (Εικ. 1.4). ΕΙΚΟΝΑ 1.4: Παραγωγή μεταβολικής ενέργειας. Η γλυκόλυση είναι η αναερόβια αποικοδόμηση της γλυκόζης προς γαλακτικό οξύ. Μέσω της φωτοσύνθεσης η ενέργεια από την ηλιακή ακτινοβολία χρησιμοποιείται για τη σύνθεση γλυκόζης από CO2 και H2O, με απελευθέρωση Ο2 ως παραπροϊόντος. Το Ο2 που απελευθερώνεται από τη φωτοσύνθεση χρησιμοποιείται στον οξειδωτικό μεταβολισμό, κατά τον οποίο η γλυκόζη αποικοδομείται προς CO2 και Η2Ο, απελευθερώνοντας πολύ περισσότερη ενέργεια από εκείνη που παράγεται από τη γλυκόλυση. Η ανάπτυξη των μεταβολικών πορειών ή οδών, αρχικά της γλυκόλυσης, της φωτοσύνθεσης και του οξειδωτικού μεταβολισμού μετέβαλλε την ατμόσφαιρα της Γης και κατ αυτόν τον τρόπο την πορεία της περαιτέρω εξέλιξης. Όλα τα κύτταρα εξελίχθηκαν από τον ίδιο πρόγονο Κάθε κύτταρο αναπαράγεται με διπλασιασμό του DNA του. Στη συνέχεια διαιρείται στα δύο, μεταβιβάζοντας ένα αντίγραφο των γενετικών πληροφοριών που κωδικοποιούνται στο DNA σε καθένα από τα δύο θυγατρικά κύτταρα. Η αντιγραφή δεν είναι πάντα τέλεια και σποραδικά οι πληροφορίες αλλοιώνονται. Αυτό εξηγεί γατί τα τέκνα δεν είναι πάντα πιστά αντίγραφα των γονέων. Οι μεταβολές στο DNA ονομάζονται μεταλλάξεις (mutations), οι οποίες μεταβάλλουν ένα κύτταρο: Άλλες το καθιστούν ικανό να επιβιώσει και να αναπαραχθεί, ή αντίθετα, και άλλες είναι ουδέτερες (χωρίς επιπτώσεις). Ο αγώνας για επιβίωση ευνοεί το πρώτο, εξαλείφει το δεύτερο και ανέχεται το τρίτο. Όσοι απόγονοι επιβιώσουν θα μεταβιβάσουν τις τροποποιημένες γενετικές πληροφορίες τους στην επόμενη γενιά. Αυτό το γενετικό υλικό μπορεί να μεταβληθεί επιπλέον με τη φυλετική αναπαραγωγή (sexual reproduction), η οποία συνίσταται στη σύντηξη δύο κυττάρων του ίδιου είδους, με συνέπεια τη συνένωση του DNA τους και την αναδιοργάνωση των γενετικών πληροφοριών σε νέους συνδυασμούς στην επόμενη γενιά. 4

6 Αυτές οι απλές αρχές της αλλαγής και της επιλογής που εφαρμόστηκαν επαναληπτικά σε τεράστιο αριθμό κυτταρικών γενεών, αποτελούν τη βάση της εξέλιξης - διεργασία με την οποία τα έμβυα όντα τροποποιούνται σταδιακά και προσαρμόζονται στο περιβάλλον τους με όλο και πιο εκλεπτυσμένους τρόπους. Η εξέλιξη προσφέρει μια απρόσμενη και οριστική ερμηνεία για τις μεγάλες ομοιότητες που εμφανίζουν τα κύτταρα ως προς τη βασική οργάνωση τους. Αυτό συμβαίνει επειδή έχουν κληρονομήσει τις γενετικές οδηγίες τους από τον ίδιο κοινό πρόγονο. Αρχέγονο κύτταρο Μεταλλάξεις Σταδιακή διαφοροποίηση απογόνων (3,5-3,8 δις χρόνια) Τα κύτταρα παρέχουν τις πληροφορίες για τη μορφή, λειτουργία και περίπλοκη συμπεριφορά τους Το γονιδίωμα ενός κυττάρου, δηλ. το σύνολο των γενετικών πληροφοριών στο DNA του, παρέχει ένα γενετικό πρόγραμμα που καθοδηγεί τη λειτουργία ενός κυττάρου, και στα ζωϊκά και φυτικά κύτταρα πώς να αναπτυχθούν σ ένα οργανισμό με εκατοντάδες διαφορετικά είδη κυττάρων: Τα λιποκύτταρα, τα οστεοκύτταρα, τα δερματικά και νευρικά κύτταρα δημιουργούνται κατά την εμβρυϊκή ανάπτυξη από ένα μόνο γονιμοποιημένο ωάριο και όλα περιέχουν ταυτόσημα αντίγραφα του DNA του συγκεκριμένου είδους. Τα διαφορετικά χαρακτηριστικά τους οφείλονται στον τρόπο με τον οποίο χρησιμοποιούν τις γενετικές οδηγίες. Διαφορετικά κύτταρα εκφράζουν διαφορετικά γονίδια αυτό σημαίνει ότι ενεργοποιούν επιλεκτικά την παραγωγή ορισμένων πρωτεϊνών. Η επιλεκτική ενεργοποίηση γονιδίων προκύπτει οφείλεται επίσης στην αλληλεπίδραση του κυττάρου με το περιβάλλον του αυτό σημαίνει ότι κάθε κύτταρο επιτελεί ποικίλες βιολογικές λειτουργίες ανάλογα με το περιβάλλον του. Ομοιότητα και ποικιλότητα των κυττάρων Τα κύτταρα εμφανίζουν μεγάλη ποικιλότητα ως προς την εμφάνιση και τη λειτουργία τους: 1. Τα κύτταρα ποικίλουν ως προς το μέγεθος τους: Ένα βακτηριακό κύτταρο Lactobacillus έχει μήκος λίγων μm, ενώ το ωάριο ενός βατράχου (μονοκύτταρο) έχει διάμετρο ~ 1mm. 2. Τα κύτταρα ποικίλουν ως προς το σχήμα και τις κινήσεις τους: Ένα νευρικό κύτταρο ανθρωπίνου εγκεφάλου έχει τεράστιο μήκος. Αποστέλλει τα ηλεκτρικά σήματα του σ άλλα κύτταρα κατά μήκος μιας λεπτής κυτταροπλασματικής αποφυάδας με μήκος φορές μεγαλύτερο από το πάχος της, η οποία στο τελικό άκρο της διαχωρίζεται σε εκατοντάδες κλάδους (δηλ. το νευρικό κύτταρο έχει ένα τεράστιο διακλαδιζόμενο δέντρο αποφυάδων μέσω των οποίων δέχεται σήματα από άλλα νευρικά κύτταρα). Ένα κύτταρο Paramecium μέσα σε μια σταγόνα νερού έχει σχήμα υποβρυχίου και καλύπτεται από πολυάριθμες βλεφαρίδες - λεπτές προεκβολές των οποίων η ελικοειδής κίνηση συμβάλλει στην προώθηση του κυττάρου, που περιστρέφεται καθώς μετακινείται. Ένα κύτταρο που βρίσκεται στην επιφανειακή στιβάδα ενός φυτού (π.χ. μίσχος φυτού) είναι ένα πεπλατυσμένο ακίνητο πρίσμα που γύρω του σχηματίζει ένα άκαμπτο κέλυφος που επικαλύπτεται από ένα αδιάβροχο περίβλημα κεριού. Ένα βακτηριακό κύτταρο Bdellovibrio έχει αλλαντοειδές σχήμα (λουκάνικο) και προωθείται σαν τορπίλη από ένα περιστρεφόμενο μαστίγιο, το οποίο συνάπτεται στο πίσω άκρο του που δρα σαν προπέλα. Τρέφεται με άλλα μεγαλύτερα βακτήρια. Ένα ουδετερόφιλο (λευκοκύτταρο) ή ένα μακροφάγο στο σώμα ενός ζώου έρπει ανάμεσα στους ιστούς, μεταβάλλοντας συνεχώς το σχήμα του και καταβροχθίζοντας κυτταρικά υπολείμματα, ξένους μικροοργανισμούς και νεκρά ή θνήσκοντα κύτταρα (π.χ. ερυθροκύτταρα). 3. Τα κύτταρα ποικίλουν ως προς το περίβλημα τους: Ορισμένα κύτταρα περιβάλλονται μόνον από μια εύθραυστη κυτταρική μεμβράνη. Άλλα κύτταρα συνθέτουν ένα εξωτερικό περίβλημα βλέννης είτε άκαμπτα κυτταρικά τοιχώματα από τα οποία και περικλείονται ή περιβάλλονται από ένα σκληρό, αποτιτανωμένο εξωκυττάριο στρώμα, όπως αυτό των οστών. 4. Τα κύτταρα ποικίλουν ως προς τις χημικές απαιτήσεις και δραστηριότητες τους: - Ορισμένα για να επιβιώσουν απαιτούν οξυγόνο, ενώ για άλλα το O2 είναι δηλητήριο. - Ορισμένα χρησιμοποιούν ως πρώτες ύλες μόνο αέρα, ηλιακό φως και νερό (φυτικά), ενώ άλλα χρειάζονται ένα πολύπλοκο μίγμα αερίων που παράγονται από άλλα κύτταρα. - Ορισμένα παράγουν συγκεκριμένες σύνθετες ουσίες όπως ορμόνες, άμυλο, λίπη ή χρωστικές. 5

7 - Ορισμένα κύτταρα επιτελούν μηχανική λειτουργία καίγοντας καύσιμα για ν αποδώσουν μηχανική ενέργεια, ή παράγουν ηλεκτρισμό όπως τα τροποποιημένα μυϊκά κύτταρα στο ηλεκτρικό χέλι. 5. Τα κύτταρα διαφέρουν ως προς τη δυνατότητα αναπαραγωγής τους: Σε έναν πολυκύτταρο οργανισμό, υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες κυττάρων - τα σωματικά και τα γαμετικά κύτταρα όπως το ωάριο και το σπερματοζωάριο. Όμως πολλά σωματικά κύτταρα διατηρούν την ικανότητα τους να διαιρούνται όπως για παράδειγμα οι ινοβλάστες και τα επιθηλιακά κύτταρα του δέρματος κάτω από ορισμένες συνθήκες, όπως για παράδειγμα κατά την επούλωση ενός τραύματος. Άλλα δε σωματικά κύτταρα όπως για παράδειγμα τα νευρικά κύτταρα έχουν χάσει αυτή την ικανότητα διαίρεσης. Όλα τα ζωντανά κύτταρα έχουν παρόμοια βασική χημεία Παρά την ποικιλότητα των ζώων και φυτών, οι οργανισμοί αυτοί έχουν κάτι κοινό που επιτρέπει να αποκαλούνται έμβυα ζώα. Τα φυτά και τα ζώα είναι αθροίσματα κυττάρων; τα κύτταρα υφίστανται και ως ανεξάρτητοι οργανισμοί και είναι ανεξάρτητες μονάδες ζωής δηλ. αυξάνουν αναπαράγονται, μετατρέπουν ενέργεια από μια μορφή σε μια άλλη, απαντούν στο περιβάλλον τους κλπ. Παρόλη της μορφολογική ποικιλότητα τους, όλα τα έμβυα όντα έχουν παρόμοια υπόσταση: - Όλα τα κύτταρα μοιάζουν μεταξύ τους ως προς τη χημική οργάνωση τους και έχουν κοινούς μηχανισμούς για τις περισσότερες βασικές λειτουργίες τους. - Όλα τα κύτταρα αποτελούνται από τα ίδια είδη μορίων που συμμετέχουν στους ίδιους τύπους χημικών αντιδράσεων (ΚΕΦ2). - Σε όλα τα έμβυα όντα, οι γενετικές οδηγίες (τα γονίδια) αποθηκεύονται σε μόρια DNA που γράφονται με τον ίδιο χημικό μηχανισμό και διπλασιάζονται κατά τον ίδιο τρόπο προκειμένου να επιτρέψουν σ έναν οργανισμό να αναπαραχθεί. Έτσι σε κάθε κύτταρο, οι μακριές αλυσίδες του πολυμερούς DNA αποτελούνται από το ίδιο σύνολο μονομερών, τα νουκλεοτίδια, που παρατάσσονται με διαφορετικό τρόπο μεταφέροντας διαφορετικές πληροφορίες. Σε κάθε κύτταρο, οι οδηγίες διαβάζονται ή αλλιώς μεταγράφονται σε ένα συγγενικό από χημικής άποψης σύνολο μορίων που αποτελούνται από RNA. Τα μηνύματα που μεταφέρονται από το RNA μεταφράζονται σε μια άλλη χημική μορφή: χρησιμοποιούνται για να κατευθύνουν την παραγωγή τεράστιας ποικιλίας πρωτεϊνών που καθορίζουν τη συμπεριφορά του κυττάρου και λειτουργούν ως δομικά υλικά, χημικοί καταλύτες, μοριακές μηχανές κλπ. ΑΝΤΙΓΡΑΦΗ DNA DNA ΜΕΤΑΓΡΑΦΗ (Σύνθεση RNA) RNA ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ (Πρωτεϊνοσύνθεση) Πρωτεΐνες (NH2-αο αον-cooh) - Οι πρωτεΐνες συντίθενται από τους 20 διαφορετικούς τύπους αμινοξέων τα οποία συνδέονται με διαφορετική αλληλουχία προσδίδοντας διαφορετικές χημικές ιδιότητες στα μόρια των πρωτεϊνών. Έτσι ο ίδιος βασικός βιοχημικός μηχανισμός χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία όλων των έμβυων οργανισμών. 6

8 Σύγχρονοι Προκαρυωτικοι Οργανισμοί Οι σύγχρονοι προκαρυωτικοί οργανισμοί στους οποίους περιλαμβάνονται όλα τα είδη βακτηρίων κατηγοριοποιούνται σε δύο ομάδες που διαχωρίστηκαν νωρίς κατά την πορεία της εξέλιξης: Αρχαία ή Αρχαιοβακτήρια (Archaea ή Archaebacteria): Ορισμένα ζουν σε ακραία περιβάλλοντα που δεν συναντούνται πλέον συχνά αλλά ίσως κυριάρχησαν στην πρωτόγονη Γη; π.χ. Τα θερμοοξεόφιλα ζουν σε θερμικές πηγές θείου σε T =800C και ph~2. Βακτήρια ή Ευβακτήρια (Bacteria ή Eubacteria): Περιλαμβάνονται τα πιο συνηθισμένα είδη των σύγχρονων προκαρυωτών. Είναι μεγάλη κατηγορία οργανισμών που ζουν σε ποικίλα περιβάλλοντα όπως χώμα, νερό και άλλους οργανισμούς (π.χ. ανθρώπινα παθογόνα). Τα βακτηριακά κύτταρα είναι σφαιρικά (π.χ. Streptococcus), ραβδόμορφα (π.χ. E. Coli, Salmonella) ή σπειροειδή (π.χ. Treponema pallidum) διαμέτρου 1-10 μm. Το DNA τους ποικίλει από 0,6-5 εκ. ζεύγη βάσεων που επαρκεί για την κωδικοποίηση διαφορετικών πρωτεϊνών. Οι μεγαλύτεροι και πιο πολύπλοκοι προκαρυωτικοί οργανισμοί είναι τα κυανοβακτήρια (cyanobacteriae), στα οποία αναπτύχθηκε η φωτοσύνθεση. Μεγέθη και σχήματα βακτηρίων: (Α) Σχηματική απεικόνιση βακτηρίων; (Β) E. coli: Το DNA είναι συγκεντρωμένο στην ανοιχτόχρωμη περιοχή; (Γ) Φωτοσυνθετικά βακτήρια Anabaena cylindrica (επάνω) (Κύτταρα H-δεσμεύουν άζωτο; V-δεσμεύουν CO2; S-ανθεκτικοί σπόροι) και Phormidium laminosum (κάτω); (Δ) Beggiatoa, ένα περιστρεφόμενο βακτήριο που οξειδώνει H2S για ενέργεια και δεσμεύει άνθρακα. ΕΙΚΟΝΑ 1.5: Φωτογραφία ηλεκτρονικού μικροσκοπίου που δείχνει την δομή του βακτηρίου E. Coli. Τυπικό προκαρυωτικό κύτταρο με σχήμα ράβδου διαμέτρου 1 μm και μήκους 2 μm που περιβάλλεται από ένα δύσκαμπτο και πορώδες κυτταρικό τοίχωμα (cell wall), που αποτελείται από πολυσακχαρίτες και πεπτίδια, κάτω από το οποίο βρίσκεται η κυτταροπλασματική μεμβράνη που παρέχει έναν λειτουργικό φραγμό μεταξύ του εσωτερικού του κυττάρου και του εξωτερικού περιβάλλοντος. Το DNA είναι ένα μεμονωμένο κυκλικό μόριο που εντοπίζεται στο πυρηνοειδές. Το κυτταρόπλασμα είναι κοκκιώδες και περιέχει ~ ριβοσώματα για πρωτεϊνοσύνθεση. 7

9 Οι προκαρυώτες είναι η πιο ετερογενής ομάδα κυττάρων Οι περισσότεροι προκαρυώτες υπάρχουν ως μονοκύτταροι οργανισμοί. Ορισμένοι σχηματίζουν αλυσίδες, συμπλέγματα ή άλλες οργανωμένες πολυκύτταρες δομές. Τα βακτήρια διαβιούν σε τεράστια ποικιλία συνθηκών. Ορισμένα είναι αερόβια, δηλ. χρησιμοποιούν οξυγόνο (O2) για να οξειδώσουν τα μόρια των τροφών, ενώ άλλα είναι αναερόβια, αποφεύγοντας το περιβάλλον πλούσιο σε O2 καθώς είναι τοξικό. Τα μιτοχόνδρια, οργανίδια που παράγουν ενέργεια στα ευκαρυωτικά κύτταρα πιθανά να εξελίχθηκαν από αερόβια βακτήρια που διαβιούσαν στο εσωτερικό των προγόνων των ευκαρυωτικών κυττάρων (και τα δύο μιτοχόνδρια και βακτήρια φέρουν κυκλικό μόριο DNA) με συμβιωτική σχέση (ευκαρυώτης-ξενιστής & βακτήριο). Έτσι ο αερόβιος μεταβολισμός θεωρείται ότι βασίζεται στη δραστηριότητα των βακτηριακών κυττάρων. Κάθε οργανικό υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως τροφή από κάποιο είδος βακτηρίων. Υπάρχουν επίσης βακτήρια που τρέφονται αποκλειστικά με ανόργανες ουσίες, όπως άνθρακας από το CO2 της ατμόσφαιρας, άζωτο από το ατμοσφαιρικό N2 και O2, H2, S και P από τον αέρα, το νερό και διάφορα ανόργανα άλατα. Μερικά απ αυτά τα βακτηριακά κύτταρα, όπως και τα φυτικά κύτταρα, είναι φωτοσυνθετικά, δηλ. εξασφαλίζουν την ενέργεια για βιοσυνθέσεις από το ηλιακό φως. Τέτοια βακτήρια είναι: το Anabaena cylindrica σχηματίζει επιμήκη πολυκύτταρα νημάτια με ορισμένα κύτταρα που δεσμεύουν ατμοσφαιρικό N2 και το ενσωματώνουν σε οργανικές ενώσεις, και άλλα κύτταρα που δεσμεύουν CO2) και το Phormidium laminosum (στις ενδοκυττάριες μεμβράνες του οποίου διεξάγεται η φωτοσύνθεση). Άλλα βακτήρια προσλαμβάνουν την απαιτούμενη ενέργεια από χημικές αντιδράσεις που συμμετέχουν ανόργανες ουσίες του περιβάλλοντος: Το περιστρεφόμενο βακτήριο Beggiatoa ζει σε περιβάλλον πλούσιο σε θείο και προσλαμβάνει ενέργεια οξειδώνοντας το H2S, και δεσμεύοντας άνθρακα (Εικόνα 7-1). Αν και τα φυτά είναι ικανά να προσλάβουν ενέργεια από το ηλιακό φως και άνθρακα από το ατμοσφαιρικό CO2, αδυνατούν να προσλάβουν ατμοσφαιρικό N2 χωρίς τη βοήθεια των βακτηρίων. Επομένως και τα φυτά εξαρτώνται από τα βακτήρια για να διεξάγουν τη φωτοσύνθεση. Πιθανά, οι χλωροπλάστες, τα οργανίδια των φυτικών κυττάρων που επιτελούν φωτοσύνθεση, να έχουν εξελιχθεί από φωτοσυνθετικά βακτήρια τα οποία ζούσαν στο εσωτερικό των φυτικών κυττάρων. 8

10 ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ Ζωϊκά κύτταρα Φυτικά κύτταρα Τα ευκαρυωτικά κύτταρα είναι πολυπλοκότερα από τα προκαρυωτικά κύτταρα. Όλα τα ευκαρυωτικά κύτταρα περιβάλλονται από μια κυτταροπλασματική μεμβράνη, περιέχουν πυρήνα, ριβοσώματα, κυτταροπλασματικά οργανίδια και κυτταροσκελετό. Εικόνα 1.6: (Α) Δομή ζωικών κυττάρων; (Β) Δομή φυτικών κυττάρων. Τόσο τα ζωικά όσο και τα φυτικά κύτταρα περιβάλλονται από μια κυτταρική μεμβράνη και περιέχουν πυρήνα, κυτταροσκελετό και πολλά κοινά κυτταροπλασματικά οργανίδια. Τα φυτικά κύτταρα περιβάλλονται επίσης από κυτταρικό τοίχωμα και περιέχουν χλωροπλάστες και μεγάλα χυμοτόπια. 9

11 Τα ευκαρυωτικά κύτταρα είναι πολυπλοκότερα από τα προκαρυωτικά κύτταρα. Όλα τα ευκαρυωτικά κύτταρα περιβάλλονται από μια κυτταροπλασματική μεμβράνη, περιέχουν ριβοσώματα, κυτταροπλασματικά οργανίδια και κυτταροσκελετό. Ο πυρήνας (nucleus) είναι το μεγαλύτερο και πιο ευδιάκριτο οργανίδιο με διάμετρο ~5 μm. Ο πυρήνας περιβάλλεται από τον πυρηνικό φάκελο ή περίβλημα (nuclear envelope) που αποτελείται από την εσωτερική και εξωτερική πυρηνική μεμβράνη, και φέρει πόρους (πυρηνικούς πόρους; nuclear pores). Στον πυρήνα εντοπίζεται ο πυρηνίσκος. Ο πυρήνας περιέχει τις γενετικές πληροφορίες του κυττάρου οι οποίες στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς οργανώνονται στην μορφή γραμμικών και όχι κυκλικών μορίων DNA. Αυτά τα γραμμικά μόρια DNA είναι ορατά στο φωτονικό μικροσκόπιο με τη μορφή χρωμοσωμάτων (chromosomes) όταν το κύτταρο προετοιμάζεται να διαιρεθεί σε δύο θυγατρικά κύτταρα οπότε γίνονται πιο συμπαγή. Στον πυρήνα γίνεται η αντιγραφή του DNA και η σύνθεση του RNA. Η μετάφραση του RNA σε πρωτεΐνες διεξάγεται στα ριβοσώματα του κυτταροπλάσματος. Δομή του πυρήνα των ευκαρυωτικών κυττάρων Το κυτταρόπλασμα (cytoplasm) είναι ένα πυκνό υδατικό διάλυμα μεγάλων και μικρών μορίων και περιέχει κυτταρικά οργανίδια που περιβάλλονται από μια μεμβράνη - διακριτά κυτταρικά διαμερίσματα - στα οποία διεξάγονται διαφορετικές μεταβολικές δραστηριότητες. Η διαμερισματοποίηση που επιτυγχάνεται μέσω των κυτταροπλασματικών οργανιδίων επιτρέπει την αποτελεσματική λειτουργία των ευκαρυωτικών κυττάρων. Στο κυτταρόπλασμα διεξάγονται πολλές χημικές αντιδράσεις (μεταβολικές, σύνθεση πρωτεϊνών, μοριακές τροποποιήσεις, διακίνηση κλπ) που είναι θεμελιώδεις για την ύπαρξη του κυττάρου. Οι μικροσκοπικές μοριακές μηχανές που συνθέτουν μόρια πρωτεϊνών φαίνονται στο ΗΜ ως μικρά σωματίδια μέσα στο κυτταρόπλασμα και ονομάζονται ριβοσώματα (ribosomes). Δύο κυτταρικά οργανίδια είναι, τα μιτοχόνδρια (mitochondria) και οι χλωροπλάστες (chloroplasts) που παίζουν σημαντικό ρόλο στον μεταβολισμό ενέργειας. Το μιτοχόνδριο έχει αλλαντοειδές σχήμα με μήκος 1-5 μm και περιβάλλεται από δύο διακριτές μεμβράνες, με την εσωτερική να σχηματίζει πτυχές που προβάλλουν στο εσωτερικό του οργανιδίου. Τα μιτοχόνδρια περιέχουν το δικό τους DNA και αναπαράγονται διαιρούμενα στα δύο. Η λειτουργία των μιτοχονδρίων αποκαλύφθηκε με την απομόνωση τους θραύση των κυττάρων και συλλογή των μιτοχονδρίων με διαφορική φυγοκέντριση του εναιωρήματος, που διαχωρίζει τα οργανίδια ανάλογα με το μέγεθος, το σχήμα και την πυκνότητα τους. Τα απομονωμένα μιτοχόνδρια μελετήθηκαν για τις χημικές διεργασίες που επιτελούν. Βρέθηκε ότι λειτουργούν ως γεννήτριες παραγωγής χημικής ενέργειας για τις ανάγκες του κυττάρου. Αξιοποιούν την ενέργεια που απελευθερώνεται από την οξείδωση μορίων της τροφής (οξειδωτικός μεταβολισμός), όπως τα 10

12 σάκχαρα, προκειμένου να παράγουν ενέργεια με τη μορφή της τριφωσφορικής αδενοσίνης (Adenosine triphosphate; ATP), για να καλύψουν τις ενεργειακές ανάγκες του κυττάρου. Επειδή κατά τη διάρκεια της σχετικής δραστηριότητας το μιτοχόνδριο καταναλώνει O2 και απελευθερώνει CO2, η όλη διαδικασία ονομάζεται κυτταρική αναπνοή (cellular respiration). Οι χλωροπλάστες είναι μεγάλα πράσινα οργανίδια που υπάρχουν μόνο σε κύτταρα φυτών, φυκών, χλωροφυκών και αλγών, όχι όμως σε ζωϊκά κύτταρα ή μύκητες. Η δομή τους είναι πιο πολύπλοκη απ αυτή των μιτοχονδρίων. Εκτός από τις δύο περιβάλλουσες μεμβράνες, στο εσωτερικό του οργανιδίου υπάρχουν στοίβες μεμβρανών που περιέχουν χλωροφύλλη (πράσινη χρωστική). Στους χλωροπλάστες διεξάγεται η φωτοσύνθεση, δηλ. παγιδεύουν την ενέργεια του ηλιακού φωτός σε μόρια χλωροφύλλης και την χρησιμοποιούν για τη σύνθεση μορίων σακχάρων που είναι πλούσια σε ενέργεια, απελευθερώνοντας O2 ως άχρηστο προϊόν. Όπως τα μιτοχόνδρια, έτσι και οι χλωροπλάστες περιέχουν το δικό τους DNA, αναπαράγονται διαιρούμενα στα δύο. Στα λυσοσώματα ή λυσοσωμάτια (lysosomes) όπου διεξάγεται η ενδοκυττάρια πέψη μακρομορίων, ενώ στα υπεροξειδιοσώματα (peroxisomes) που είναι μικρά μεμβρανικά κυστίδια διεξάγονται διάφορες οξειδωτικές αντιδράσεις και παράγεται και αποικοδομείται υπεροξείδιο του υδρογόνου (H2O2), μια τοξική χημική ένωση. Φυτικά κύτταρα περιέχουν επίσης χυμοτόπια (ή κενοτόπια) που επιτελούν διάφορες λειτουργίες όπως πέψη μακρομορίων και αποθήκευση των προϊόντων καταβολισμού και θρεπτικών ουσιών. Δύο κυτταροπλασματικά συστήματα οργανιδίων, το ενδοπλασματικό δίκτυο (Endoplasmic Reticulum; ER) και η συσκευή Golgi (Golgi apparatus) είναι υπεύθυνα για την ταξινόμηση και την μεταφορά πρωτεϊνών που προορίζονται για έκκριση, ενσωμάτωση στην κυτταροπλασματική μεμβράνη ή στα λυσοσώματα. Το ER είναι ένα εκτεταμένο δίκτυο ενδοκυτταρικών μεμβρανών που εκτείνονται από την πυρηνική μεμβράνη σ όλο το κυτταρόπλασμα. Το ER συμβάλλει στην επεξεργασία και μεταφορά πρωτεϊνών και στην σύνθεση λιπιδίων. Η συσκευή Golgi συγκροτείται από στοίβες επιπεδωμένων μεμβρανικών ασκών (δίσκων) από τους οποίους αποκόπτονται μικρά κυστίδια. Από το ER, οι πρωτεΐνες μεταφέρονται μέσα σε μεμβρανικά κυστίδια στην συσκευή Golgi όπου υφίστανται περαιτέρω επεξεργασία και ταξινομούνται για να μεταφερθούν στους τελικούς προορισμούς, όπως προς το εξωτερικό του κυττάρου (μόρια που προορίζονται για έκκριση εξωκύτωση) ή σε διάφορες άλλες θέσεις ενδοκυττάρια (μόρια που προορίζονται σε διάφορα κυτταρικά διαμερίσματα = ενδοκύτωση). Στην συσκευή Golgi διεξάγεται και η σύνθεση λιπιδίων και ορισμένων πολυσακχαριτών που συγκροτούν τα κυτταρικά τοιχώματα στα φυτά. Τα ευκαρυωτικά κύτταρα παρουσιάζουν ένα επιπλέον επίπεδο εσωτερικής οργάνωσης, τον κυτταροσκελετό δίκτυο πρωτεϊνικών ινιδίων που εκτείνεται σ όλο το κυτταρόπλασμα. Αποτελεί το δομικό πλαίσιο του κυττάρου και καθορίζει το κυτταρικό σχήμα και την γενικότερη οργάνωση του κυτταροπλάσματος. Είναι υπεύθυνος για τις κυτταρικές κινήσεις για την ενδοκυτταρική μεταφορά και τον εντοπισμό οργανιδίων και άλλων δομών όπως είναι οι κινήσεις των χρωμοσωμάτων κατά την κυτταρική διαίρεση. Στο ΗΜ φαίνεται να διασταυρώνονται μικρά, λεπτά ινίδια πρωτεϊνών στο κυτταρόπλασμα των ευκαρυωτικών κυττάρων. Αυτό το σύστημα των ινιδίων ονομάζεται κυτταροσκελετός (cytoskeleton): ινίδια ακτίνης, μικροσωληνίσκοι και ενδιάμεσα ινίδια. Ο κυτταροσκελετός είναι ένα πλέγμα ινιδίων που συμβάλλουν στον καθορισμό του σχήματος ενός κυττάρου. Όλα τα ευκαρυωτικά κύτταρα διαθέτουν ένα εσωτερικό πλαίσιο από πρωτεϊνικά νημάτια που συμβάλλει στην οργάνωση των εσωτερικών διεργασιών του κυττάρου και ελέγχει τις μετακινήσεις και μεταβολές του σχήματος του. (Α) Νημάτια ακτίνης, (Β) Μικροσωληνίσκοι και (Γ) Ενδιάμεσα ινίδια, με χρήση διαφορετικών χρωστικών. Αριστερά: Όταν ένα κύτταρο διαιρείται το πυρηνικό περίβλημα του σπάζει και το DNA του συμπυκνώνεται σε ορατά ζεύγη χρωμοσωμάτων που χωρίζονται σε 2 διαφορετικά κύτταρα με τη βοήθεια των μικροσωληνίσκων, που προχωρούν ακτινωτά από το κέντρο προς τα αντίθετα άκρα του διαιρούμενου κυττάρου. 11

13 Τα λεπτά ινίδια είναι ινίδια ακτίνης (actin filaments) υπάρχουν σ όλα τα ευκαρυωτικά κύτταρα αλλά αφθονούν στα μυϊκά κύτταρα όπου συμβάλλουν στον μηχανισμό συστολής των μυών. Τα παχύτερα ινίδια ονομάζονται μικροσωληνίσκοι (microtubules) επειδή μορφολογικά ομοιάζουν με σωληνάρια. Οι μικροσωληνίσκοι αναδιοργανώνονται σε διατάξεις μέσα στα διαιρούμενα κύτταρα όπου συμβάλλουν στο διαχωρισμό των διπλασιασμένων χρωμοσωμάτων και στη μετακίνηση τους σε αντίθετες κατευθύνσεις με τελική συνέπεια την ίση κατανομή τους στα 2 θυγατρικά κύτταρα. Ενδιάμεσο πάχος έχουν τα ενδιάμεσα ινίδια (intermediate filaments) που προσδίδουν στο κύτταρο μηχανική ισχύ. Τα 3 είδη ινιδίων σε συνδυασμό με άλλες πρωτεΐνες που συνδέονται σ αυτά, σχηματίζουν ένα σύστημα τροχαλιών, σχοινιών και κινητήρων που προσδίδει μηχανική ισχύ στο κύτταρο, ελέγχει το σχήμα του, κατευθύνει και καθοδηγεί τις κινήσεις του. Επομένως το σύστημα ρυθμίζει την εσωτερική οργάνωση του κυττάρου και τα εξωτερικά χαρακτηριστικά του. Είναι απαραίτητο τόσο στα ζωικά κύτταρα που είναι ελεύθερα να κάμπτονται, να διατείνονται, να κολυμπούν ή να έρπουν, όσο και τα φυτικά κύτταρα που περικλείονται από ένα άκαμπτο τοίχωμα εξωκυττάριας ουσίας. Σ ένα φυτικό κύτταρο, οργανίδια όπως τα μιτοχόνδρια μετακινούνται σε ένα συνεχές ρεύμα μέσα στο εσωτερικό του κυττάρου κατά μήκος ινιδίων του κυτταροσκελετού. Επίσης τόσο τα ζωικά όσο και τα φυτικά κύτταρα εξαρτώνται από τον κυτταροσκελετό προκειμένου να πραγματοποιηθεί ο διαχωρισμός των εσωτερικών συστατικών τους σε δύο θυγατρικά κύτταρα κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης. Προέλευση των Ευκαρυωτών Καθοριστικό στάδιο κατά την εξέλιξη των ευκαρυωτικών κυττάρων ήταν η δημιουργία οριοθετημένων από μεμβράνες υποκυτταρικών οργανιδίων. Τα οργανίδια των ευκαρυωτικών κυττάρων θεωρείται ότι προέκυψαν με ενδοσυμβίωση ενός κυττάρου στο εσωτερικό ενός άλλου. Θεωρείται ότι τα ευκαρυωτικά οργανίδια αποτελούν εξέλιξη προκαρυωτικών κυττάρων που ζούσαν στο εσωτερικό των προγόνων των ευκαρυωτών. Π.χ. μιτοχόνδρια, χλωροπλάστες έχουν ίδιο μέγεθος με βακτήρια, φέρουν DNA που κωδικοποιεί ορισμένα από τα συστατικά τους, και αναπαράγονται με διαίρεση. Τα ριβοσώματα και το ριβοσωμικό RNA (rrna) αυτών των οργανιδίων παρουσιάζει μεγαλύτερη συνάφεια με τα αντίστοιχα βακτηριακά παρά με εκείνα που κωδικοποιούνται από το πυρηνικό γονιδίωμα των ευκαρυωτών. ΕΙΚΟΝΑ 1.7: Εξέλιξη των κυττάρων. Τα κύτταρα των σύγχρονων οργανισμών εξελίχθηκαν σταδιακά από έναν κοινό προκαρυωτικό πρόγονο, από τον οποίο προήλθαν 2 εξελικτικές γραμμές: αρχαίων και βακτηρίων. Τα ευκαρυωτικά κύτταρα ίσως προέκυψαν μέσω ενδοσυμβιωτικής σχέσης ενός αερόβιου βακτηρίου με ένα αρχαίο, που οδήγησε στη δημιουργία των μιτοχονδρίων και στον σχηματισμό ενός ευκαρυωτικού γονιδιώματος με γονίδια προερχόμενα τόσο από βακτήρια όσο και από αρχαία (μωσαϊκό). Οι χλωροπλάστες προέκυψαν στη συνέχεια ως αποτέλεσμα της ενδοσυμβιωτικής σχέσης ενός φωτοσυνθετικού βακτηρίου (κυανοβακτηρίου) με τον πρόγονο των φυτών. (Rivera & Lake, Nature 431:

14 Εξέλιξη των Πολυκύτταρων (Ευκαρυωτικών) Οργανισμών Μονοκύτταροι Ευκαρυωτικοί Οργανισμοί Ο Ζυμομύκητας S. Cerevisiae είναι ο απλούστερος μονοκύτταρος ευκαρυωτικός οργανισμός με διάμετρο ~6 μm και DNA με 12 εκ ζεύγη βάσεων ΕΙΚΟΝΑ 1.8: Φωτογραφία ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης που δείχνει τον Saccharomyces cerevisiae. Η φωτογραφία έχει υποστεί ψευδοχρωματισμό. Η αμοιβάδα A. Proteus εξειδικεύθηκε εξελικτικά ώστε να διεξάγει ποικίλες λειτουργίες όπως φωτοσύνθεση, κίνηση, σύλληψη και πέψη άλλων οργανισμών (τροφή). Οι αμοιβάδες είναι ευκίνητες και χρησιμοποιούν κυτταροπλασματικές ΕΙΚΟΝΑ 1.9: Φωτογραφία προεκβολές, τα φωτονικού μικροσκοπίου ψευδοπόδια, για κίνηση και που δείχνει την Amoeba σύλληψη βακτηρίων και proteus ζυμομυκήτων. Άλλοι μονοκύτταροι ευκαρυωτικοί οργανισμοί όπως τα χλωροφύκη που περιέχουν χλωροπλάστες και φωτοσυνθέτουν 13 Οι πολυκύτταροι οργανισμοί προήλθαν εξελικτικά από μονοκύτταρους ευκαρυώτες πάνω από πριν 1 δισεκατομμύρια χρόνια. Ορισμένοι μονοκύτταροι ευκαρυωτικοί οργανισμοί σχηματίζουν πολυκυτταρικά συσσωματώματα που φαίνεται ότι αντιπροσωπεύουν ένα εξελικτικά μεταβατικό στάδιο από τα μεμονωμένα κύτταρα στους πολυκύτταρους οργανισμούς. ΕΙΚΟΝΑ 1.10: Χλωροφύκη που σχηματίζουν αποικίες. Μεμονωμένα κύτταρα του χλωροφύκους Volvox σχηματίζουν πολυκύτταρες αποικίες αποτελούμενες από κοίλες σφαίρες, στο εσωτερικό των οποίων εκατοντάδες έως χιλιάδες κύτταρα είναι ενσωματωμένα σε μια ζελατινώδη μήτρα. Θεωρούνται εξελικτικοί πρόγονοι των σύγχρονων φυτών, μετά από την αυξανόμενη και συνεχή λειτουργική εξειδίκευση των κυττάρων.

15 Ζωικά Κύτταρα Τα ζωικά κύτταρα είναι πιο ετερογενή από τα φυτικά. Το ανθρώπινο σώμα αποτελείται από >200 διαφορετικά είδη κυττάρων, συστατικά 5 βασικών τύπων ιστών: Επιθηλιακός Ιστός Συνδετικός (ή Ερειστικός) Ιστός Ιστός του αίματος Νευρικός Ιστός Μυϊκός Ιστός Επιθηλιακός Ιστός ΕΙΚΟΝΑ 1.12: Φωτογραφίες φωτονικού μικροσκοπίου που δείχνουν αντιπροσωπευτικά ζωικά κύτταρα. Επιθηλιακά κύτταρα της στοματικής κοιλότητας (ένα παχύ στρώμα πολλαπλών στιβάδων), του χοληφόρου πόρου και του εντέρου. Τα επιθηλιακά κύτταρα είναι πολυεδρικά, στενά συνδεδεμένα μεταξύ τους με στεγανούς συνδέσμους και δεσμοσώματα και ελάχιστη εξωκυτταρική θεμέλια (ή μεσοκυττάρια) ουσία. Τα επιθηλιακά κύτταρα σχηματίζουν περιβλήματα που καλύπτουν την επιφάνεια του σώματος και επενδύουν τα εσωτερικά όργανα. Υπάρχουν πολλοί και διαφορετικοί τύποι επιθηλιακών κυττάρων που εξειδικεύονται σε μια συγκεκριμένη λειτουργία, μεταξύ των οποίων είναι η προστασία (δέρμα), η απορρόφηση (π.χ. επιθηλιακά κύτταρα που επενδύουν το λεπτό έντερο) και η έκκριση (π.χ. κύτταρα των σιελογόνων αδένων και άλλων αδένων). Ο επιθηλιακός ιστός διακρίνεται με βάση την μορφή του επιθηλίου σε πλακώδες (πεπλατυσμένα κύτταρα), κυβικό και κυλινδρικό ιστό. Συνδετικός Ιστός Ιστός που συνδέει τμήματα του σώματος και βοηθάει στη διατήρηση της δομής άλλων τύπων ιστών. Αποτελείται από διάφορους κυτταρικούς τύπους που παράγουν σε ινίδια κολλαγόνου και ελαστίνης (ελαστικές ίνες) και δικτυωτές ίνες (ινίδια κολλαγόνου τύπου ΙΙΙ), και άφθονη πηκτώδη εξωκυτταρική θεμέλια ουσία πλούσια σε πρωτεογλυκάνες, γλυκοζαμινογλυκάνες και γλυκοπρωτεΐνες όπου βρίσκονται τα κύτταρα και τα ινίδια. Ο ΣΙ διακρίνεται σε Χαλαρό και Πυκνό ΣΙ. Ο χαλαρός ΣΙ που καλύπτει εσωτερικά τις επιθηλιακές στιβάδες και συμπληρώνει τα κενά μεταξύ οργάνων και ιστών στο σώμα, αποτελείται από τους ινοβλάστες. Ο πυκνός ΣΙ εντοπίζεται στους τένοντες και τους συνδέσμους. Στους συνδετικούς ιστούς περιλαμβάνονται (α) οι σκελετικοί ιστοί - Τα οστά που αποτελούνται από οστεοβλάστες και ο χόνδρος που αποτελείται από χονδροκύτταρα - και (β) ο λιπώδης ιστός που αποτελείται από λιπώδη κύτταρα. Ο ιστός του αίματος είναι ένας τύπος χαλαρού συνδετικού ιστού και αποτελείται από ερυθροκύτταρα (μεταφορά Ο2), και λευκά αιμοσφαίρια - κοκκιοκύτταρα, μονοκύτταρα, μακροφάγα και λεμφοκύτταρα (συμμετέχουν σε φλεγμονώδεις αντιδράσεις και στην ανοσολογική απόκριση). 14

16 ΕΙΚΟΝΑ 1.12: Φωτογραφίες φωτονικού μικροσκοπίου που δείχνουν αντιπροσωπευτικά ζωικά κύτταρα. (Β) Οι ινοβλάστες είναι κύτταρα συνδετικού ιστού με χαρακτηριστική μορφή επιμηκυσμένης ατράκτου. (Γ) Ερυθροκύτταρα, κοκκιοκύτταρα, λεμφοκύτταρα και μονοκύτταρα στο ανθρώπινο αίμα. Ο Νευρικός ιστός αποτελείται από νευρικά κύτταρα (ή νευρώνες) και από υποστηρικτικά κύτταρα, τα νευρογλοιακά κύτταρα στο ΚΝΣ και τα κύτταρα Schwann στο ΠΝΣ. Ο Μυϊκός ιστός διακρίνεται σε σκελετικό ή γραμμωτό, καρδιακό και λείο μυϊκό ιστό. Η μικρότερη λειτουργική μονάδα του σκελετικού μυ είναι η μυϊκή ίνα. Κάθε γραμμωτή μυϊκή ίνα είναι ένα ιδιαίτερα επίμηκες, κυλινδρικό, συσταλτό πολυπύρηνο κύτταρο. Οι καρδιακές μυϊκές ίνες είναι κυλινδρικά και επιμήκη κύτταρα με ένα ή δυο το πολύ κεντρικούς πυρήνες. Κάθε λεία ίνα είναι ένα ατρακτοειδές, επίμηκες, μονοπύρηνο κύτταρο, μήκους μm. Τα Κύτταρα ως Πειραματικά Μοντέλα Η σταδιακή εξέλιξη των κυττάρων από έναν κοινό πρόγονο, η διατήρηση των θεμελιωδών ιδιοτήτων όλων των κυττάρων κατά την εξέλιξη και οι βασικές αρχές που προκύπτουν από πειράματα και βρίσκουν εφαρμογή σε διάφορα κυτταρικά μοντέλα, οδήγησαν στην ανάπτυξη: Πρότυποι οργανισμοί ως πειραματικά μοντέλα Βακτήρια (Escherichia coli) - Μοντέλο μελέτης προκαρυωτών Ζυμομύκητες (Saccharomyces sereviciae) - Μοντέλο μελέτης ευκαρυωτών Νηματώδης σκώληκας (Caenorhabditis elegans) - Μοντέλο ανάπτυξης πολυκύτταρων οργανισμών (ζώων) και κυτταρικής διαφοροποίησης Φρουτόμυγα (Drosophila melanogaster) - Οργανισμός-μοντέλο στην αναπτυξιακή βιολογία ζώων Φυτό (Arabidopsis thaliana) - Μοντέλο μοριακής βιολογίας και ανάπτυξης φυτών Σπονδυλωτά Βάτραχος (Xenopus laevis) - Μοντέλο πρώϊμης ανάπτυξης των σπονδυλωτών 15

17 Ψάρι Ζέβρα (Zebrafish; Brachydanio rerio) - Μοντέλο ανάπτυξης και γενετικής ανάλυσης των σπονδυλωτών Ποντίκι (Mus musculus) - Μοντέλο ανάπτυξης και γενετικής ανάλυσης των θηλαστικών Η διαθεσιμότητα ολόκληρων γονιδιωματικών αλληλουχιών ενισχύει την αξία αυτών των οργανισμών ως συστημάτων-μοντέλων για την κατανόηση της μοριακής βιολογίας των κυττάρων. ΠΙΝΑΚΑΣ 1.2: Περιεχόμενο DNA διαφόρων κυττάρων Η σύγκριση της αλληλουχίας του γονιδιώματος διαφορετικών οργανισμών αποκαλύπτει την κοινή καταγωγή της ζωής Το μέγεθος του γονιδιώματος ποικίλλει εντυπωσιακά από οργανισμό σε οργανισμό και μετράται σε ζεύγη νουκλεοτιδίων DNA ανά απλοειδές γονιδίωμα (τα κύτταρα των οργανισμών με φυλετική αναπαραγωγή, π.χ. άνθρωπος, είναι διπλοειδή: περιέχουν 2 αντίγραφα του γονιδιώματος - 16

18 πατρικής και μητρικής προέλευσης). Ακόμα και πολύ συγγενείς οργανισμοί μπορεί να διαφέρουν ως προς την ποσότητα DNA του γονιδιώματος τους, παρόλο που περιέχουν παρόμοιο αριθμό διακριτών λειτουργικών γονιδίων. Σε μοριακό επίπεδο, οι εξελικτικές αλλαγές συνέβησαν με βραδύ ρυθμό, και πολλά χαρακτηριστικά των σύγχρονων οργανισμών έχουν διατηρηθεί κατά τη διάρκεια 3 δισεκατομμυρίων ετών ζωής στη γη (1/5 της ηλικίας του σύμπαντος). Η εξελικτική διατήρηση προκύπτει από την ανάλυση της αλληλουχίας του γονιδιώματος. Η ανάλυση της αλληλουχίας του DNA διευκόλυνε την ανίχνευση της συγγένειας μεταξύ γονιδίων: αν 2 γονίδια διαφορετικών οργανισμών έχουν παρόμοια αλληλουχία είναι πολύ πιθανό να προέρχονται από ένα κοινό αρχέγονο γονίδιο. Τα γονίδια (και τα προϊόντα τους) που σχετίζονται κατ αυτόν τον τρόπο χαρακτηρίζονται ομόλογα. Μολονότι μερικά αρχέγονα γονίδια έχουν χαθεί και άλλα είναι αλλαγμένα ώστε να μην αναγνωρίζονται εύκολα ως συγγενικά, εν τούτοις η σύγκριση της αλληλουχίας του γονιδιώματος οργανισμών σε απομακρυσμένους κλάδους του δέντρου της ζωής προσφέρει ενδείξεις για τα γονίδια που είναι θεμελιώδους σημασίας για τα ζωντανά κύτταρα. Η σύγκριση του γονιδιώματος 5 ευβακτηρίων, ενός αρχαιοβακτηρίου, και ενός ευκαρυωτικού (ζυμομύκητας) αποκάλυψε μια ομάδα 239 οικογενειών γονιδίων που αντιπροσωπεύονται και στις 3 επικράτειες. Οι περισσότερες οικογένειες περιλαμβάνουν γονίδια που εμπλέκονται στο μεταβολισμό, στη μεταφορά αμινοξέων και στην παραγωγή και λειτουργία των ριβοσωμάτων. Συνεπώς, για να είναι ένα κύτταρο βιώσιμο χρειάζεται έναν ελάχιστο αριθμό γονιδίων. Οι περισσότεροι οργανισμοί διαθέτουν πολύ περισσότερα γονίδια. Ακόμη και οι προκαρυώτες έχουν γονιδίωμα μήκους ~1 εκατομμυρίου bp που κωδικοποιεί γονίδια (Mycoplasma genitalium έχει το μικρότερο αριθμό γονιδίων που είναι 468). Το συμπαγές γονιδίωμα των βακτηρίων είναι συντριπτικά μικρότερο από το γονιδίωμα των συνήθων ευκαρυωτικών. Το ανθρώπινο γονιδίωμα περιέχει ~700 φορές περισσότερο DNA από το γονιδίωμα του E. coli, ενώ συγκριτικά με τον άνθρωπο μια φτέρη περιέχει 100πλάσιο DNA ανά κύτταρο. Ωστόσο ο αριθμός των γονιδίων δεν διαφέρει κατά πολύ. Αν ορισθεί ως γονίδιο το τμήμα του DNA που κωδικοποιεί μια πρωτεΐνη, τότε ο άνθρωπος έχει μόλις 7πλάσιο αριθμό γονιδίων συγκριτικά με το E. coli. Επιπλέον πολλά από τα 30,000 γονίδια μας κατατάσσονται σε οικογένειες, όπως η οικογένεια των ανοσοσφαιρινών με 9 πολύ συγγενικά μέλη στον άνθρωπο. Επίσης σημαντική αναλογία των ανθρώπινων γονιδίων έχουν ομόλογα γονίδια στο βακτήριο. Το υπόλοιπο ανθρώπινο DNA μεγάλος όγκος που δεν κωδικοποιεί πρωτεΐνη είναι μείγμα αλληλουχιών που ρυθμίζουν την έκφραση γονιδίων και αλληλουχιών που φαίνονται άχρηστες (junk DNA). Η μεγάλη ποσότητα DNA επιτρέπει εντυπωσιακή πολυπλοκότητα και εκλέπτυνση στον τρόπο ενεργοποίησης των γονιδίων ενός ευκαρυωτικού πολυκύτταρου οργανισμού. Ωστόσο ο βασικός κατάλογος των πρωτεϊνών που παράγουν τα κύτταρα υπό την καθοδήγηση του DNA δεν είναι τεράστιος και πολλές απ αυτές είναι κοινές όχι μόνο στα ζώα αλλά σε όλες τις μορφές ζωής. Το γονιδίωμα κατευθύνει την παραγωγή όλων των συστατικών που απαιτούνται για τον προγραμματισμό της αύξησης, της ανάπτυξης και της αναπαραγωγής των ζωντανών κυττάρων ώστε να διασφαλιστεί η επιβίωση και η αναπαραγωγή κάθε έμβυου όντος. 17

19 Προκαρυωτικά: Το βακτήριο Escherichia coli Το E. coli είναι ένα ραβδόμορφο ευβακτηριακό κύτταρο που φυσιολογικά διαβιεί στο έντερο του ανθρώπου και άλλων σπονδυλωτών, και αυξάνει εύκολα σε απλά θρεπτικά υλικά μέσα σε φιάλη καλλιέργειας. Το E. Coli αναπτύσσεται σε ποικίλες χημικές συνθήκες. Φέρει ένα μοναδικό κυκλικό μόριο DNA μήκους 4.6x106 ζευγών νουκλεοτιδίων (bp) που συνθέτει διαφορετικά είδη πρωτεϊνών. Το ανθρώπινο γονιδίωμα είναι ~1000 φορές μεγαλύτερο με ~3 δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων και περιέχει γονίδια. Επειδή το γονιδίωμα έχει μικρό μέγεθος και η αλληλουχία του προσδιορίστηκε πλήρως (1997), η E. coli προσφέρεται για μελέτες γενετικής ανάλυσης. Επίσης πολλαπλασιάζεται ταχύτατα σε καθορισμένες εργαστηριακές συνθήκες. Υπό ιδανικές συνθήκες καλλιέργειας, τα κύτταρα της E. Coli διαιρούνται κάθε 20 min. Επιπλέον, ένας πληθυσμός κλώνων της E. Coli του οποίου όλα τα κύτταρα έχουν προκύψει από διαίρεση E. coli: Το DNA είναι ενός μόνον αρχικού κυττάρου μπορεί εύκολα να συγκεντρωμένο στην ανοιχτόχρωμη απομονωθεί ως μια αποικία που έχει αναπτυχθεί σε περιοχή ημιστερεό θρεπτικό μέσο που περιέχει άγαρ. Βακτηριακές αποικίες με 106 κύτταρα μπορούν να αναπτυχθούν σε 16 ώρες με αποτέλεσμα η επιλογή γενετικών υποτύπων ενός στελέχους E. Coli (π.χ. μεταλλαγμένων, ανθεκτικών σε κάποιο αντιβιοτικό όπως η πενικιλίνη) να είναι εύκολη και ταχύτατη. Το μίγμα θρεπτικών συστατικών στο οποίο διαιρείται η E. Coli με μεγάλη ταχύτητα περιλαμβάνει γλυκόζη, αλατούχες ενώσεις και διάφορες οργανικές ουσίες όπως αμινοξέα, βιταμίνες και πρόδρομες ενώσεις νουκλεϊκών οξέων. Η E. Coli μπορεί να αναπτυχθεί και σε απλούστερες θρεπτικά μέσα που περιλαμβάνουν αλατούχες ενώσεις, μια πηγή αζώτου (NH3) και μια πηγή άνθρακα και ενέργειας (γλυκόζη), αλλά με βραδύτερο ΕΙΚΟΝΑ 1.13: Βακτηριακές ρυθμό πολλαπλασιασμού, ~40 min γιατί πρέπει να αποικίες του E. coli που έχουν συνθέσουν όλα τα αμινοξέα, τα νουκλεοτίδια και άλλες αναπτυχθεί στην επιφάνεια οργανικές ενώσεις. Επομένως η E. Coli μπορεί να θρεπτικού υλικού με άγαρ χρησιμοποιηθεί σε πειράματα γενετικής ανάλυσης αλλά και για την μελέτη μεταβολικών (βιοσυνθετικών) πορειών. Σακχαροζυμομύκητας: Saccharomyces cerevisiae Η μαγιά της μπύρας (S. cerevisiae) είναι ένα απλό ευκαρυωτικό κύτταρο. Αυτός ο πρότυπος ευκαρυώτης είναι ζυμομύκητας που χρησιμοποιείται από ζυθοποιούς, οινοποιούς και αρτοποιούς. Το γονιδίωμα του S. cerevisiae αποτελείται από 12x106 bp και περιέχει ~6.000 γονίδια. Παρόλο που το γονιδίωμα του είναι ~2.5-3 φορές μεγαλύτερο από εκείνο του E. Coli, τα πειράματα γενετικής ανάλυσης με S. cerevisiae δεν παρουσιάζουν δυσκολίες όπως σε πολύπλοκα ευκαρυωτικά (π.χ. άνθρωπος). Όμως, παρά τον χαμηλό βαθμό πολυπλοκότητας, τα κύτταρα του ζυμομύκητα παρουσιάζουν τα τυπικά χαρακτηριστικά των ευκαρυωτικών κυττάρων. Ο S. cerevisiae είναι ένας μικρός μονοκύτταρος μύκητας (επομένως συγγενεύει στενά με ζώα & ΕΙΚΟΝΑ 1.14: Φωτογραφία φυτά) με άκαμπτο κυτταρικό τοίχωμα, σχετικά ακίνητος, με ηλεκτρονικού μικροσκοπίου μιτοχόνδρια αλλά όχι χλωροπλάστες. Ο πυρήνας είναι διακριτός διέλευσης που δείχνει τον S. και περιβάλλεται από πυρηνική μεμβράνη, και το γονιδιωματικό cerevisiae. DNA είναι κατανεμημένο σε 16 γραμμικά χρωμοσώματα, ενώ το κυτταρόπλασμα περιέχει κυτταροσκελετό και υποκυτταρικά οργανίδια. 18

20 Κάτω από κατάλληλες συνθήκες αναπαράγεται σχεδόν γρήγορα όσο ένα βακτήριο, και επιτελεί όλες τις βασικές λειτουργίες που επιτελεί ένα ευκαρυωτικό κύτταρο. Γενετικές και βιοχημικές μελέτες βοήθησαν να κατανοηθεί ο κύκλος της κυτταρικής διαίρεσης, καθώς έχει καλά διατηρηθεί κατά την εξέλιξη, και πολλά από τα στάδια του απαντώνται τόσο στη ζύμη όσο και σε κύτταρα θηλαστικών. Αν ένα μεταλλαγμένο κύτταρο ζύμης χάσει ένα γονίδιο απαραίτητο για την κυτταρική διαίρεση, η εισαγωγή ενός αντίστοιχου ανθρωπίνου γονιδίου μπορεί να διορθώσει τη βλάβη και να επιτρέψει στη ζύμη να διαιρεθεί κανονικά. Οι ζυμομύκητες είναι απλοί, αυτόνομοι ευκαρυώτες. Κύτταρα μαγιάς της μπύρας αναπαράγονται με ασύμμετρη κυτταρική διαίρεση: Σχηματίζουν πρώτα μια προεκβολή και μετά διαιρούνται ασύμμετρα σ ένα μεγάλο και ένα μικρό θυγατρικό κύτταρο. Νηματώδης σκώληκας: Caenorhabditis elegans ΕΙΚΟΝΑ 1.15: Caenorhabditis elegans. (J. E. Sulston & H. R. Horvitz, Dev. Biol. 56: 110) Ο νηματώδης σκώληκας C. elegans αποτελεί μοντέλο ανάπτυξης πολυκύτταρων οργανισμών (ζώων) και κυτταρικής διαφοροποίησης. Ο C. elegans είναι απλός πολυκύτταρος οργανισμός που αναπτύσσεται με ωρολογιακή ακρίβεια από ένα γονιμοποιημένο ωάριο σ ένα ενήλικο άτομο με ακριβώς 959 σωματικά κύτταρα και με μεταβλητό αριθμό ωαρίων και σπερματοζωαρίων ( γαμετικά κύτταρα). Έχουν επίσης κατανοηθεί οι διαδικασίες και πορείες που οδηγούν σ αυτό το αποτέλεσμα που περιλαμβάνουν διαιρέσεις, μετακινήσεις και λειτουργικές εξειδικεύσεις κυττάρων. Το γονιδίωμα του νηματέλμινθα μήκους 97x106 bp, φέρει ~19,000 γονίδια (3 φορές περισσότερα από S. cereviciae και περίπου όσα φέρει το ανθρώπινο γονιδίωμα). Παρόλο που το γονιδίωμα του είναι μεγαλύτερο από εκείνα των μονοκύτταρων ευκαρυωτών, η μελέτη του είναι απλούστερη σε σχέση με τα γονιδιώματα των περισσοτέρων ζώων. Ο C. elegans καλλιεργείται εύκολα στο εργαστήριο και είναι επιδεκτικό γενετικών χειρισμών. Η χαμηλή πολυπλοκότητα του κατέστησε εφικτή την λεπτομερή μελέτη της διαδικασίας ανάπτυξης του μέσω μικροσκοπικής παρατήρησης. Τέτοιες μελέτες οδήγησαν στον καθορισμό της εμβρυϊκής προέλευσης και της γενεαλογίας όλων των κυττάρων στον ενήλικα σκώληκα. Γενετικές αναλύσεις ταυτοποίησαν πολλές μεταλλάξεις που ευθύνονται για αναπτυξιακές ανωμαλίες με αποτέλεσμα την απομόνωση και τον χαρακτηρισμό καθοριστικών γονιδίων που ελέγχουν την ανάπτυξη και διαφοροποίηση των νηματωδών. Παρόμοια γονίδια βρέθηκαν και σε πολυπλοκότερους οργανισμούς όπως ο άνθρωπος, αναδεικνύοντας τον C. elegans ως ιδανικό μοντέλο ζωικής ανάπτυξης. Υπάρχουν πολλά μεταλλαγμένα στελέχη που επιτρέπουν μια σειρά μελετών σε σχέση με τη λειτουργία αυτών των γονιδίων. Για το 70% των ανθρώπινων πρωτεϊνών υπάρχει κάποια ομόλογη πρωτεΐνη στο σκουλήκι. Επίσης, μελέτες ανάπτυξης οδήγησαν στην κατανόηση του προγραμματισμένου κυτταρικού θανάτου (απόπτωση), μια διαδικασία με την οποία το σώμα απαλλάσσεται από τα πλεονάζοντα κύτταρα (χρήσιμο θέμα στην έρευνα του καρκίνου). 19

21 Μύγα των Φρούτων: Drosophila melanogaster Η μύγα των φρούτων (ή μύγα του ξιδιού ή του κρασιού) Drosophila melanogaster έχει προσφέρει γνώσεις για την κατανόηση των μηχανισμών της ανάπτυξης (από ένα γονιμοποιημένο ωάριο - ζυγώτης σ έναν πολυκύτταρο οργανισμό με διαφορετικά είδη κυττάρων), το χαρακτηρισμό γονιδίων που εμπλέκονται στον ορθό κυτταρικό εντοπισμό, στην ανάπτυξη του σώματος (μεταμερισμός), οφθαλμών, φτερών, άκρων. Υπάρχουν πολλά μεταλλαγμένα στελέχη που επιτρέπουν μια σειρά μελετών. Τα γονίδια της Drosophila εμφανίζουν εντυπωσιακή ομοιότητα με τα γονίδια του ανθρώπου. Το γονιδίωμα της μύγας - 185x106 bp κωδικοποιούν ~ γονίδια περιέχει ομόλογα γονίδια για τα περισσότερα γονίδια με κρίσιμο ρόλο στην παθογένεση νοσημάτων ΕΙΚΟΝΑ 1.16: Drosophila melanogaster του ανθρώπου, αλλά και για την ανάπτυξη του ανθρώπου. Η D. melanogaster διατηρείται και καλλιεργείται εύκολα στο εργαστήριο, και λόγω του σύντομου αναπαραγωγικού κύκλου της (~2 εβδομάδες) είναι χρήσιμη για πειράματα γενετικής (π.χ. σχέση μεταξύ γονιδίων και χρωμοσωμάτων). Γενετικές και μοριακές μελέτες ταυτοποίησαν πολλά γονίδια που ελέγχουν την ζωική ανάπτυξη και διαφοροποίηση και χαρακτήρισαν την λειτουργία τους. Επίσης επέτρεψαν την κατανόηση των μοριακών μηχανισμών που ελέγχουν την ανάπτυξη και την σωματική διαφοροποίηση πολύπλοκων πολυκύτταρων ζωϊκών οργανισμών. ΣΠΟΝΔΥΛΩΤΑ - Βάτραχος: Xenopus laevis ΕΙΚΟΝΑ 1.18: Ωάρια του βάτραχου Xenopus laevis Τα πιο πολύπλοκα ζώα είναι τα σπονδυλωτά συμπεριλαμβανομένου του βατράχου και των θηλαστικών (ποντίκι, άνθρωπος). Ο βάτραχος Xenopus laevis αποτελεί ιδανικό μοντέλο μελέτης της πρώϊμης ανάπτυξης των σπονδυλωτών. Τα ωάρια του είναι ασυνήθιστα μεγάλα με διάμετρο ~1 mm. Επειδή τα ωάρια αναπτύσσονται έξω από το σώμα της μητέρας, όλα τα στάδια της ανάπτυξης, από το αυγό έως τον γυρίνο μπορούν εύκολα να μελετηθούν στο εργαστήριο. Επιπλέον, τα ωάρια μπορούν να απομονωθούν σε μεγάλες ποσότητες διευκολύνοντας έτσι τη βιοχημική ανάλυση. Με βάση αυτά τα τεχνικά πλεονεκτήματα, ο βάτραχος χρησιμοποιείται ευρύτατα σε μελέτες αναπτυξιακές βιολογίες από τις οποίες έχουν προκύψει πληροφορίες για τους μοριακούς μηχανισμούς που ελέγχουν την ανάπτυξη, τη διαφοροποίηση και την εμβρυϊκή κυτταρική διαίρεση. ΣΠΟΝΔΥΛΩΤΑ Ψάρι Ζέβρα: Zebrafish Brachydanio rerio (Α) (Β) ΕΙΚΟΝΑ 1.19: Ψάρι ζέβρα. (Α) Έμβρυο 24 ωρών. (Β) Ενήλικο ψάρι. Το ψάρι ζέβρα (zebrafish) Brachydanio rerio είναι τροπικό ψάρι του γλυκού νερού που ανήκει στα κυπρινοειδή έχει επίσης πολλά πλεονεκτήματα για γενετική ανάλυση των σπονδυλωτών και τη χρήση του ως μοντέλου ανάπτυξης. Διατηρείται εύκολα και αναπαράγεται γρήγορα στο εργαστήριο (3-4 μήνες). Τα έμβρυα αναπτύσσονται έξω από το σώμα της μητέρας 20