Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: Τ&ΤΠ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΠΑΪΩΑΝΝΟΥ ΜΑΡΙΑΣ ΤΟΥ ΝΙΚΟΛΑΟΥ Αριθμός Μητρώου: Θέμα «Μελέτη των τρόπων επικοινωνίας των ανθρώπινων κυττάρων» Επιβλέπων ΛΥΜΠΕΡΟΠΟΥΛΟΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ, ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Τομέας Τηλεπικοινωνιών και Τεχνολογίας Πληροφορίας Dipl.-El.-Eng. Dr.-El.-Eng. (Patras Univesrsity) Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, (Οκτώβριος 2016) 1

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Μελέτη των τρόπων επικοινωνίας των ανθρώπινων κυττάρων» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΠΑΠΑΪΩΑΝΝΟΥ ΜΑΡΙΑΣ Αριθμός Μητρώου: Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 07./10../2016 Ο Επιβλέπων Λυμπερόπουλος Δημήτριος, Καθηγητής Τομέας Τ&ΤΠ Dipl.-El.-Eng. Dr.-El.-Eng. (Patras Univesrsity) Ο Διευθυντής του Τομέα Νίκος Φακωτάκης, Καθηγητής Τομέας Τ&ΤΠ B.Sc. (Univ. of London), M.Sc. (UMIST), Dr.-El.-Eng. (University of Patras) 2

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Μελέτη των τρόπων επικοινωνίας των ανθρώπινων κυττάρων» Φοιτητής: Παπαϊωάννου Μαρία, Επιβλέπων: Λυμπερόπουλος Δημήτριος Περίληψη Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η περιγραφή και ανάλυση ασυρμάτων τρόπων επικοινωνίας στο μοριακό επίπεδο με στόχο την ανάπτυξη νανοαισθητήρων στο ανθρώπινο σώμα. Ξεκινώντας από την μοριακή επικοινωνία μεταξύ μορίων καταλήγει σε μια ευρεία προσέγγιση της αρχιτεκτονικής των νανοαισθητήρων και ενός μεγάλου πλήθους εφαρμογών της νανοτεχνολογίας. Η διπλωματική επικεντρώνεται σε μεθόδους επικοινωνίας μεταξύ κατανεμημένων νανομηχανών για δίκτυα μικρής, μεσαίας και μεγάλης εμβέλειας σε επίπεδο μορίων. Λέξεις κλειδιά Νάνο, νανοτεχνολογία, νανοδίκτυα, νανοαισθητήρες, ιόντα ασβεστίου, μοριακοί κινητήρες, φερομόνες, DNA, κύτταρα, υποδοχείς 3

4 Table of Contents ΜΕΡΟΣ Α ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 6 ΤΡΟΠΟΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΜΕΤΑΞΥ ΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΜΟΡΙΑΚΗ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΑΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΜΕΡΙΚΕΣ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΔΟΜΗ Η ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ Η δομή κυτταρικής μεμβράνης Ο ΡΟΛΟΣ ΤΗΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΜΕΒΡΑΝΗΣ Η ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΔΙΑΜΕΣΟΥ ΤΗΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ Η ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ ΚΑΙ ΤΑ ΛΙΠΟΣΩΜΑΤΑ ΣΧΕΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΚΑΙ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑΣ ΤΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΣΤΑ ΚΥΤΤΑΡΑ ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΗΡΕΜΙΑΣ ΔΙΕΓΕΡΣΙΜΟΤΗΤΑ- ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΤΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΤΟΥΣ ΝΕΥΡΩΝΕΣ ΚΥΤΤΑΡΟΣΚΕΛΕΤΟΣ: ΕΝΑ «ΟΔΙΚΟ» ΔΙΚΤΥΟ ΣΤΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΤΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ ΠΟΥ ΣΥΜΜΕΤΕΧΕΙ ΣΧΕΔΟΝ ΣΕ ΟΛΕΣ ΤΙΣ ΖΩΤΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΤΟΥ Η ΤΑΥΤΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΣΚΕΛΕΤΟΥ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΤΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΣΚΕΛΕΤΟΥ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΤΜΗΜΑΤΩΝ ΤΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΣΚΕΛΕΤΟΥ A Day in the Life of a Motor Protein : ΤΑ ΕΙΔΗ ΙΣΤΟΥ ΣΤΟ ΑΝΡΘΩΠΙΝΟ ΣΩΜΑ Εισαγωγή Ο ΕΠΙΘΗΛΙΑΚΟΣ ΙΣΤΟΣ ΕΡΕΙΣΤΙΚΟΣ ΙΣΤΟΣ ΜΥΪΚΟΣ ΙΣΤΟΣ ΝΕΥΡΙΚΟΣ ΙΣΤΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΤΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ ΓΕΝΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗΣ ΒΑΣΙΚΟΙ ΤΡΟΠΟΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΚΥΤΤΑΡΩΝ ΕΞΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΚΥΤΤΑΡΩΝ ΜΕΡΟΣ Β ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΤΗΝ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ Εξισώσεις δυναμικού Ισοδύναμο κύκλωμα κυτταρικής μεμβράνης ΜΕΡΟΣ Γ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΜΕΒΡΑΝΗΣ ΜΕ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΑΝΑΛΟΓΟ ΤΗΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ Η χωρητικότητα και η αγωγιμότητα της μεμβράνης επηρεάζουν την απόκριση του 4

5 δυναμικού της μεμβράνης ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

6 ΜΕΡΟΣ Α 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΤΡΟΠΟΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΜΕΤΑΞΥ ΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ Υπάρχουν δύο βασικοί τρόποι επικοινωνίας δικτύων. Ο πρώτος και παραδοσιακός τρόπος, σύμφωνα με τον οποίο η πληροφορία μεταφέρεται πάνω σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα (Ηλεκτρομαγνητικής Ακτινοβολίας ).Μεταδίδεται ψηφιακή πληροφορία, όπως φωνή κείμενο και βίντεο μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (ηλεκτρονικά και οπτικά σήματα). Σχήμα 1.1: Οι υπάρχουσες παραδοσιακές επικοινωνίες Ένας δεύτερος και πιο φυσικός τρόπος, σύμφωνα με τον οποίο η πληροφορία μεταφέρεται πάνω σε μόρια (Μοριακής επικοινωνίας). Μεταδίδεται βιοχημική πληροφορία όπως ο ενθουσιασμός, τα συναισθήματα, το στρες ή ασθένειες μέσω μορίων (χημικά σήματα). Σχήμα 1.2: Οι επικοινωνίες των κυττάρων Παρακάτω δίδεται μία αναλυτική σχηματική απεικόνιση ενός παραδοσιακού τηλεπικοινωνιακού καναλιού συγκριτικά με ένα μοριακό περιβάλλον: 6

7 2.ΜΟΡΙΑΚΗ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ Στην μοριακή επικοινωνία, ο αποστολέας παράγει μόρια, πάνω στα οποία κωδικοποιεί την πληροφορία (μόρια πληροφορίας) και εκπέμπει τα μόρια πληροφορίας στο αντίστοιχο περιβάλλον διάδοσης. Το περιβάλλον διάδοσης μεταφέρει τα μόρια πληροφορίας στον αποστολέα. Ο αποστολέας αντιδρά βιοχημικά σύμφωνα με την πληροφορία που λαμβάνει αυτή η βιοχημική αντίδραση αντιπροσωπεύει και την αποκωδικοποίηση της πληροφορίας. 2.1 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΑΣ Βιοϊατρικές Εφαρμογές -Στοχευμένη χορήγηση φαρμάκων - σε συνεργασία με φαρμακευτική αγωγή -Η παρακολούθηση της υγείας - εντοπισμός τοξικών ουσιών -Η αναγεννητική ιατρική - ανακατασκευή κατεστραμμένων ιστών, οργάνων -Γενετική μηχανική - χειρισμός DNA Περιβαλλοντικές Εφαρμογές -Παρακολούθηση του περιβάλλοντος - ανίχνευση ρύπων ή τοξινών -Υποβάθμιση - ασφαλή μετατροπή των ανεπιθύμητων υλικών Βιομηχανία -Ποιοτικός έλεγχος - ταυτοποίηση του προϊόντος ελαττώματα -Bottom-up του σχηματισμού - ακριβής κατασκευή των εξαρτημάτων -Νέες λειτουργίες - ενσωμάτωση νανοδικτύων (nanonetworks) σε νέα προϊόντα 2.2 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ Οι πιο διαδεδομένες τεχνικές διάδοσης των μορίων πληροφορίας: Ελεύθερη διάχυση (free diffusion) Μοριακοί κινητήρες (molecular motors) Μέσω καναλιών (gap junctions) Βακτηριακοί κινητήρες (bacterial motors) Οι οποίες παρουσιάζονται αναλυτικά στη συνέχεια Ελεύθερη διάχυση Κατά την διαδικασία ελεύθερης διάχυσης ο πομπός κωδικοποιεί την πληροφορία στα μόρια, την ενσωματώνει στο μέσω διάδοσης ελευθερώνοντας μόρια στο περιβάλλον ή την ενσωματώνει σε υπάρχοντα μόρια. Στην συνέχεια η πληροφορία πηγαίνει στον δέκτη, γίνεται η αποκωδικοποίηση και εκτελείται η εντολή. 7

8 Δίνεται μια εικόνα για την σύγκριση της ασύρματης παραδοσιακής επικοινωνίας (Σχήμα 2.2) σε αντιδιαστολή με την μοριακή ασύρματη επικοινωνία (Σχήμα 2.3) (Κονοφάος, 2011) Μοριακοί κινητήρες Η επικοινωνία μεταξύ των κυττάρων βασίζεται στους μοριακούς κινητήρες. Οι μοριακοί κινητήρες είναι πρωτεΐνες ή συμπλέγματα πρωτεϊνών όπου μετατρέπουν την χημική ενέργεια σε μηχανική. Ο πομπός τοποθετεί την πληροφορία στους μοριακούς κινητήρες που μεταφέρει την πληροφορία μέσω νανοσωλήνων στον δέκτη σύμφωνα με την εικόνα που ακολουθεί.(leeson, 2012) 8

9 2.2.3 Gap junctions Μια άλλη μέθοδος δικτύωσης είναι η περίπτωση εκείνη που οι νανομηχανές βρίσκονται σε επαφή. Η επικοινωνία γίνεται μεταξύ κυτταρικών συνδέσεων και η κωδικοποίηση της πληροφορίας με την χρήση ασβεστίου και άμεση ανταλλαγή μορίων μεταξύ των νανομηχανών. (Leeson, 2012) Βακτηριακοί κινητήρες Τα βακτήρια μεταφέρουν γενετικό υλικό από ένα κύτταρο σε ένα άλλο με τρείς διαφορετικούς μηχανισμούς: σύζευξη, μετασχηματισμό και μεταγωγή. 9

10 3. ΜΕΡΙΚΕΣ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ 3.1 ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΔΟΜΗ Για την κατανόηση της μοριακής επικοινωνίας, απαιτείται σίγουρα η γνώση κυτταρικής βιολογίας. Το κύτταρο είναι η δομική και λειτουργική μονάδα ζωής. Το κύτταρο αποτελεί τη βάση της δομικής και λειτουργικής οργάνωσης ενός οργανισμού. Πιο συγκεκριμένα, όμοια κύτταρα συνδέονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν ιστό, διαφορετικοί ιστοί συνδυάζονται για να σχηματίσουν ένα όργανο, διαφορετικά όργανα συνεργάζονται για να αποτελέσουν ένα σύστημα που επιτελεί μια συγκεκριμένη λειτουργία του οργανισμού, και τέλος όλα μαζί τα συστήματα δημιουργούν έναν οργανισμό. Σχήμα 3.1: Το κύτταρο ως η δομική και λειτουργική μονάδα της ζωής Όλα τα κύτταρα ενός οργανισμού δεν είναι ίδια, αντιθέτως παρουσιάζουν μία μεγάλη ποικιλομορφία. Ωστόσο όλα έχουν 'έναν κοινό τρόπο οργάνωσης. Συγκεκριμένα όλα τα κύτταρα περιβάλλονται από την κυτταρική μεμβράνη. Το εσωτερικό του κυττάρου αποτελείται από το κυτταρόπλασμα μέσα στο οποίο βρίσκονται και τα κυτταρικά οργανίδια. 10

11 Πιο αναλυτικά, εξωτερικά περιβάλλονται και ορίζονται από μία μεμβράνη, ενώ στο εσωτερικό τους βρίσκονται πολλά οργανίδια μέσα σε πυκνό υδατικό διάλυμα οργανικών και ανόργανων ουσιών. Τα κύτταρα χωρίζονται σε δύο κατηγορίες ανάλογα με το αν περιέχουν πυρήνα: προκαρυωτικά και ευκαρυωτικά. Τα ευκαρυωτικά περιέχουν καλά σχηματισμένο πυρήνα, στον οποίο είναι αποθηκευμένες όλες οι πληροφορίες σχετικά με το γενετικό τους υλικό. Οι ανώτεροι ζωικοί και φυτικοί οργανισμοί αποτελούνται από ευκαρυωτικά κύτταρα. Στο εσωτερικό ενός τυπικού, ευκαρυωτικού κυττάρου παρατηρούνται τα εξής διαφοροποιημένα τμήματα, τα οποία επονομάζονται κυτταρικά οργανίδια και το καθένα έχει αναλάβει διαφορετικό έργο να επιτελέσει: ενδοπλασματικό δίκτυο, πυρήνας, σωμάτιο Golgi, μικροϊνίδια και μικροσωληνίσκοι που αποτελούν τον κυτταρικό σκελετό, ριβοσώματα στα οποία γίνεται σύνθεση των πρωτεινών, κυστίδιο, μιτοχόνδρια, λυσόσωμα, κεντροσωμάτιο (μόνο σε ζωικά κύτταρα), πλαστίδια (μόνο σε φυτικά κύτταρα), χυμοτόπιο (μόνο σε φυτικά κύτταρα) και κυτταρόπλασμα. Όπως προαναφέρθηκε το εξωτερικό των κυττάρων περιβάλλει μία μεμβράνη, η οποία ονομάζεται κυτταρική μεμβράνη. Η κυτταρική μεμβράνη ξεχωρίζει το κύτταρο από το περιβάλλον του και του δίνει οντότητα. Παράλληλα, είναι ημιπερατή, που σημαίνει ότι επιτρέπει την επιλεκτική διέλευση ουσιών. Ακόμη, μέσω αυτής το κύτταρο επικοινωνεί με γειτονικά κύτταρα. Τέλος διαθέτει ειδικούς υποδοχείς που επιτρέπουν την προσκόλληση ουσιών με ποικίλους ρόλους πάνω σε αυτήν Το ευκαρυωτικό κύτταρο 11

12 Όσον αφορά το εσωτερικό του κυττάρου, η απλή παρατήρηση με το μικροσκόπιο παρουσιάζει το κύτταρο σαν μια ομογενή ημίρρευστη μάζα μέσα στην οποία διακρίνεται ο πυρήνας. Αυτός είναι ο λόγος που σε παλαιότερες εποχές πιστευόταν ότι αυτή η ημίρρευστη μάζα («πρωτόπλασμα») ήταν η βασική ουσία της έμβιας ύλης (δηλ. κάτι σαν μια μαγική ζωντανή ουσία χωρίς εσωτερική δομή). Σήμερα, με τη βοήθεια του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου και τις σύγχρονες μεθόδους της βιοχημικής ανάλυσης, γνωρίζουμε ότι πράγματι το εσωτερικό του κυττάρου είναι υγρό (κυτταρόπλασμα) αλλά μέσα σε αυτό υπάρχει ένα πλήθος οργανιδίων τα οποία είναι τοποθετημένα σε συγκεκριμένες θέσεις (κυτταρικός σκελετός) και επιτελούν το καθένα μια συγκεκριμένη λειτουργία, υπακούοντας στις «εντολές» που προέρχονται από τον πυρήνα του κυττάρου. Αναφέρουμε ενδεικτικά τα εξής: Πυρήνας: Φυλάσσει το γενετικό υλικό (DNA). Με βάση τις πληροφορίες που είναι καταγεγραμμένες σ αυτό, καθορίζονται οι ιδιότητες του κυττάρου, και κατ επέκταση του οργανισμού, και ελέγχονται όλες οι κυτταρικές δραστηριότητες. Επίσης, μέσα στον πυρήνα διπλασιάζεται το γενετικό υλικό, με τρόπο που εξασφαλίζει τη μεταβίβαση των γενετικών πληροφοριών αναλλοίωτων από κύτταρο σε κύτταρο αλλά και από γενιά σε γενιά. Τέλος, μέσα στον πυρήνα συντίθενται τα διάφορα είδη RNA από γενετικές πληροφορίες που φέρει το DNA. Ενδοπλασματικό δίκτυο (ΕΔ): Ένας ακανόνιστος λαβύρινθος, πολύπλοκο σύστημα αγωγών και κύστεων κατασκευασμένων από μεμβράνες. Γεμίζει τον ελεύθερο χώρο, βρίσκεται σε συνεχή θερμική αναστάτωση. Εκεί γίνεται η σύνθεση κυτταρικών συστατικών, ενώ παράλληλα λειτουργεί ως αγωγός μεταφοράς ουσιών. Διακρίνεται στο αδρό ενδοπλασματικό δίκτυο (διαθέτει ριβοσώματα και επιτελεί την πρωτεϊνοσύνθεση) και στο λείο ενδοπλασματικό δίκτυο (σύνθεση λιπιδίων, εξουδετέρωση τοξικών ουσιών). Σύμπλεγμα Golgi: Σύστημα μεμβρανών στο οποίο γίνεται επεξεργασία πρωτεϊνών. Πρακτικά αποτελείται από στοίβες μεμβρανών. Εκεί γίνεται η τροποποίηση των χημικών μορίων που συντίθενται στο ΕΔ τα οποία κατευθύνει προς το εσωτερικό η το εξωτερικό του κυττάρου. Παράλληλα συνθέτει και συσκευάζει τα μόρια που προορίζονται για έκκριση και καθοδηγεί τις νεοσυντεθείμενες πρωτεΐνες στα κατάλληλα κυτταρικά διαμερίσματα. Από τους επιπεδωμένους μεμβρανικούς σάκους κατά στοιβάδες από τους οποίους αποτελείται το Σύστημα Golgi, αποκόπτονται κυστίδια μέσα στα οποία κωδικοποιείται η πληροφορία. 12

13 Μιτοχόνδρια (σε όλα τα κύτταρα) & Χλωροπλάστες (μόνο στα φυτικά κύτταρα): Οργανίδια που μετατρέπουν την ενέργεια που λαμβάνει το κύτταρο από το περιβάλλον του σε αξιοποιήσιμη μορφή. Χαρακτηρίζονται και ως τα «εργοστάσια παραγωγής ενέργειας» των κυττάρων. Σε αυτό το σημείο αξίζει να αναφέρουμε ότι η μεταφορά ενέργειας στα διάφορα μέρη του κυττάρου γίνεται μέσω της τριφωσφορικής αδενοσίνης (ΑΤΡ) η οποία είναι μια χημική ένωση που μεσολαβεί στις συναλλαγές μεταξύ των κυτταρικών διεργασιών που αποδίδουν ενέργεια και αυτών που καταναλώνουν ενέργεια, γι αυτό και χαρακτηρίζεται ως «ενεργειακό νόμισμα» ή «επαναφορτιζόμενη μπαταρία», διότι για να αποδώσει την ενέργειά του διασπάται (αποφόρτιση) και εν συνεχεία με ειδικές διεργασίες επανασυντίθεται (επαναφόρτιση). Η πτυχωτή εσωτερική μεμβράνη, όπως φαίνεται και στο διάγραμμα, εξασφαλίζει τη μέγιστη επιφάνεια. Λυσοσώματα: Μικρά οργανίδια, τα οποία, βοηθούν το κύτταρο στην πέψη μεγαλομοριακών ουσιών αλλά και μικροοργανισμών που τυχόν έχουν εισβάλλει στο κύτταρο. Με τη διαδικασία αυτή, απελευθερώνουν θρεπτικές ουσίες για το κύτταρο. Ριβοσώματα: Μικροσκοπικές μοριακές μηχανές που συντελούν στη σύνθεση μορίων πρωτεϊνών. Κυτταρόπλασμα: Πυκνό υδατικό διάλυμα μικρών και μεγάλων μορίων, στο εσωτερικό του κυττάρου. Υπεροξειδιοσώματα: Περιέχουν οξειδωτικά ένζυμα που επιτελούν διάφορες μεταβολικές διεργασίες. Ειδικά στα υπεροξειδιοσώματα των ηπατικών και νεφρικών κυττάρων γίνεται η αποτοξίνωση του οργανισμού από το οινόπνευμα 13

14 που έχει τυχόν καταναλωθεί. Κυτταροσκελετός: Είναι ένα σύστημα πρωτεϊνικών νηματίων που δημιουργούν «δίκτυα» στο εσωτερικό του κυττάρου. Χωρίζονται σε: ινίδια ακτίνης (actin filaments)- τα οποία είναι λεπτότερα, μικροσωληνίσκοι (microtubules)- τα οποία είναι παχύτερα και τα ενδιάμεσα ινίδια. Τα μακριά, λεπτά αυτά ινίδια πρωτεϊνών διασταυρώνονται, αγκυροβολούν με το ένα άκρο τους στην κυτταρική μεμβράνη ή εξορμούν ακτινωτά από μία κεντρική θέση δίπλα από τον πυρήνα. Ο κυτταροσκελετός ελέγχει το σχήμα και τις μετακινήσεις του κυττάρου και επιτρέπει τη μεταφορά οργανιδίων και μορίων στο εσωτερικό του. Σε συνδυασμό με τις πρωτεΐνες σχηματίζουν ένα σύστημα «τροχαλιών», «σχοινιών», «κινητήρων», το οποίο προσδίδει μηχανική ισχύ στο κύτταρο, ελέγχει το σχήμα του και καθοδηγεί τις κινήσεις του. Συνεπώς, ρυθμίζει την εσωτερική οργάνωση του κυττάρου, αλλά και τα εξωτερικά χαρακτηριστικά του. Έτσι τα κύτταρα αποκτούν την ελευθερία να κάμπτονται, να διατείνονται, να κολυμπούν ή να έρπουν. Ύψιστης σημασίας είναι ο ρόλος του στην κυτταρική διαίρεση. Συμπερασματικά, είναι ένα δυναμικό κουβάρι: συνεχώς μεταβάλλεται, και δημιουργεί δρόμους από τη μία άκρη του κυττάρου στην άλλη. Σε χρόνο λίγων δευτερολέπτων οι ελεύθερες πρωτεΐνες διασχίζουν κάθε γωνιά του κυττάρου και συνεχώς συγκρούονται με οργανίδια Το προκαρυωτικό κύτταρο Τα κύτταρα των οποίων το γενετικό υλικό (DNA) δεν περιβάλλεται από πυρηνική μεμβράνη ονομάζονται προκαρυωτικά. Οι πλέον χαρακτηριστικοί προκαρυωτικοί οργανισμοί είναι τα βακτήρια. Τα βακτήρια είναι μονοκύτταροι οργανισμοί, το κύτταρό τους είναι μικρότερο από το ευκαρυωτικό και δεν διαθέτουν οργανίδια. Η δομή τους είναι απλή. Περιβάλλονται από πλασματική μεμβράνη, η οποία έχει ίδια δομή με αυτή του ευκαρυωτικού κυττάρου, και στο κυτταρόπλασμά τους υπάρχουν ελεύθερα ριβοσώματα στα οποία γίνεται η πρωτεϊνοσύνθεση. Η πλασματική τους μεμβράνη περιβάλλεται από κυτταρικό τοίχωμα, το οποίο έχει διαφορετική χημική σύσταση από αυτή του φυτικού κυττάρου. Σε ορισμένα βακτήρια το κυτταρικό τοίχωμα περιβάλλεται από ένα άλλο περίβλημα, την κάψα. Συχνά διαθέτουν ειδικούς σχηματισμούς (μαστίγια ή βλεφαρίδες) οι οποίοι εξυπηρετούν τη μετακίνησή τους. Ορισμένα βακτήρια, όταν βρεθούν σε αντίξοες περιβαλλοντικές συνθήκες (π.χ. πολύ υψηλές ή πολύ χαμηλές θερμοκρασίες), αφυδατώνονται και μετατρέπονται σε ανθεκτικές μορφές που ονομάζονται ενδοσπόρια. Όταν οι συνθήκες ξαναγίνουν ευνοϊκές, από κάθε ενδοσπόριο θα προκύψει ένα βακτήριο. 14

15 15

16 4.Η ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ 4.1 Η δομή κυτταρικής μεμβράνης Η κυτταρική μεμβράνη περιβάλλει τελείως το κύτταρο και αποτελείται κυρίως από λιπίδια και πρωτεΐνες, ενώ έχει και λίγους υδατάνθρακες. Πίνακας 4.1 Ποσοστιαία χημική σύσταση της κυτταρικής μεμβράνης Ποσοστιαία χημική σύσταση της κυτταρικής μεμβράνης Πρωτεΐνες 55,00% Λιπίδια (φωσφολιπίδια και χοληστερόλη) 42,00% Υδατάνθρακες 3,00% Οι κυτταρικές μεμβράνες σχηματίζονται από μόρια που περιέχουν μακριές ουρές υδρογονανθράκων, οι οποίες στερούνται ηλεκτρικού φορτίου, δεν σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου και για τον λόγο αυτό είναι υδρόφοβα και συνεπώς αδιάλυτα στο νερό. Δομικά οι μεμβράνες εντάσσονται στο μοντέλο του υγρού μωσαϊκού. Παράλληλα, στην κατασκευή τους παίρνουν μέρος και διάφοροι τύποι λιπιδίων (φωσφολιπίδια, σφιγγολιπίδια, χοληστερόλη, στεροειδή) και βιομορίων (πρωτείνες, υδατάνθρακες). Τα φωσφολιπίδια αποτελούνται από υδρόφιλη κεφαλή και υδρόφοβη ουρά. Η συμπεριφορά του λοιπόν είναι διπλή, γεγονός που καθιστά τις μεμβράνες σταθερές κατασκευές. Τα σφιγγολιπίδια διαθέτουν υδρόφιλη κεφαλή και απαντώνται κυρίως σε πλασματικές μεμβράνες. Στην κατηγορία των στεροειδών ανήκει η χοληστερόλη και τα παραγωγά της. Η χοληστερόλη παρεμβάλεται μεταξύ των φωσφολιπιδίων περιορίζοντας την κινητικότητα τους. Οι υδατάνθρακες βρίσκονται στις βιομεμβράνες και δεσμέυουν πρωτείνες ή λιπίδια. Έχουν ως κύριο στόχο τους την αύξηση της υδροφιλικότητας των πρωτεινών και των λιπιδίων. 16

17 Τα λιπίδια της κυτταρικής μεμβράνης: Τα φωσφολιπίδια της κυτταρικής μεμβράνης είναι οργανωμένα σε δύο στιβάδες (στρώσεις). Ουσιαστικά η κυτταρική μεμβράνη αποτελεί ένα λιποειδές υγρό πάχους δύο μορίων. Μέσα σε αυτήν την φωσφολιπιδική διπλοστιβάδα είναι ενσωματωμένες οι πρωτεΐνες της μεμβράνης. Οι πρωτεΐνες και οι υδατάνθρακες (γλυκοπρωτεΐνες) της κυτταρικής μεμβράνης: Οι πρωτεΐνες της κυτταρικής μεμβράνης είναι ενσωματωμένες μέσα στη φωσφολιπιδική διπλοστιβάδα. Μάλιστα, καταλαμβάνουν διαφορετικές θέσεις ανάλογα με τον ρόλο που καλούνται να παίξουν. Συγκεκριμένα, οι πρωτεΐνες της μεμβράνης μπορεί να είναι διαμεμβρανικές ή περιφερειακές. (α) Διαμεμβρανικές πρωτεΐνες: Είναι οι πρωτεΐνες που διαπερνούν ολόκληρο το πάχος της μεμβράνης δηλαδή διασχίζουν την μεμβράνη από την εσωτερική έως την εξωτερική της πλευρά. Οι διαμεμβρανικές ουσίες αποτελούν τις οδούς από όπου διακινούνται υδατοδιαλυτές ουσίες και ιόντα. Ο βασικός ρόλος τους είναι η διακίνηση μορίων προς και από το κύτταρο. (β) Περιφερειακές πρωτεΐνες: Αυτές δεν διαπερνούν ολόκληρη την μεμβράνη, αλλά εντοπίζονται είτε στην εσωτερική είτε στην εξωτερική πλευρά της μεμβράνης. Οι περιφερικές πρωτεΐνες που είναι συνδεδεμένες με την εσωτερική πλευρά της μεμβράνης δρουν ως ένζυμα και καταλύουν χημικές αντιδράσεις του εσωτερικού του κυττάρου. Οι περιφερικές πρωτεΐνες που βρίσκονται στην εξωτερική επιφάνεια της κυτταρικής μεμβράνης είναι συχνά συνδεδεμένες με υδατάνθρακες σχηματίζοντας γλυκοπρωτεΐνες. Οι γλυκοπρωτεΐνες της κυτταρικής μεμβράνης μεσολαβούν στην επικοινωνία του κυττάρου με τον εξωτερικό του χώρο καθώς λειτουργούν ως υποδοχείς χημικών ερεθισμάτων που δέχεται το κύτταρο από το περιβάλλον του. Επιπλέον, οι γλυκοπρωτεΐνες της μεμβράνης επιτρέπουν τη σύνδεση γειτονικών κυττάρων προς τη δημιουργία ιστών. Τέλος, λειτουργούν ως αντιγόνα (όπως για παράδειγμα τα αντιγόνα των ομάδων αίματος) που αναγνωρίζονται από αντισώματα του οργανισμού. 17

18 4.2 Ο ΡΟΛΟΣ ΤΗΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΜΕΒΡΑΝΗΣ Το κύτταρο αποτελεί τη μικρότερη λειτουργική μονάδα του οργανισμού. Η ομαλή λειτουργία του ωστόσο προϋποθέτει την απομόνωσή του από το περιβάλλον του. Η απομόνωση αυτή δεν πρέπει να είναι ολοκληρωτική και απόλυτη, αφού θα πρέπει το κύτταρο να επικοινωνεί με τα γειτονικά του κύτταρα. Το ρόλο αυτό έχει αναλάβει η κυτταρική μεμβράνη. Παράλληλα, ρυθμίζει την διακίνηση μορίων προς και από το κύτταρο και τη μεταφορά πληροφοριών (υποδοχείς) και τέλος περιέχει αντιγόνα και ένζυμα. Επομένως ο ρόλος της είναι διπλός: από τη μία πλευρά δομικός και από την άλλη λειτουργικός. 4.3 Η ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΔΙΑΜΕΣΟΥ ΤΗΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ Βασικός ρόλος της κυτταρικής μεμβράνης είναι η διακίνηση ουσιών προς και από το κύτταρο. Η κυτταρική μεμβράνη απαρτίζεται κυρίως από λιπίδια και πρωτεΐνες. Τα λιπίδια δημιουργούν μία σταθερή δομή, η οποία εμποδίζει την διακίνηση του νερού και των υδατοδιαλυτών ουσιών από τον εξωκυττάριο προς τον ενδοκυττάριο χώρο και αντίστροφα. Από την άλλη, οι πρωτεΐνες διαπερνούν το πάχος της μεμβράνης και δημιουργούν οδούς για το πέρασμα ουσιών από τη μεμβράνη. Οι μεμβρανικές πρωτεΐνες είναι υπεύθυνες για τις περισσότερες λειτουργίες μιας μεμβράνης. Πολλές πρωτεΐνες και μερικά λιπίδια που εκτίθενται στην επιφάνεια των κυττάρων περιέχουν συνδεδεμένες αλυσίδες σακχάρων, οι οποίες προστατεύουν και λειαίνουν την κυτταρική επιφάνεια, αλλά και συμμετέχουν στην αναγνώριση των κυττάρων μεταξύ τους. Παράλληλα, η λιπιδική διπλοστιβάδα είναι αδιαπέρατη από όλα τα ιόντα και τα μεγάλα πολικά μόρια, αλλά είναι διαπερατή από μικρά μη πολικά μόρια, όπως το οξυγόνο ή το διοξείδιο του άνθρακα, καθώς και από πολύ μικρά πολικά μόρια όπως το νερό. Το μέγεθος της ουσίας, δηλαδή αν είναι μικρομοριακή (το οξυγόνο (Ο2), το διοξείδιο του άνθρακα (CΟ2), μικρά λιπαρά οξέα, μονοσακχαρίτες (όπως η γλυκόζη), ιόντα και αμινοξέα) ή μεγαλομοριακή (Είναι συνήθως τα πολυμερή μικρομοριακών ουσιών όπως για παράδειγμα λίπη, πολυσακχαρίτες, πρωτεΐνες.), καθώς και η φύση της ουσίας δηλαδή αν είναι υδατοδιαλυτή ή λιποδιαλυτή συμβάλλουν ουσιαστικά στον τρόπο διακίνησής της Μέθοδοι με τις οποίες μία μικρομοριακή ουσία διαπερνά την κυτταρική μεμβράνη Μια μικρομοριακή ουσία μπορεί να διαπεράσει την κυτταρική μεμβράνη με τους εξής τρόπους: (α) Παθητική διάχυση. (β) Διευκολυνόμενη διάχυση. (γ) Ενεργητική μεταφορά. Ορισμός της Διάχυσης: Ας φανταστούμε δυο διαλύματα της ίδιας διαλυμένης ουσίας στον ίδιο διαλύτη που 18

19 διαχωρίζονται από μια μεμβράνη. ΕΑΝ η μεμβράνη είναι διαπερατή για τη συγκεκριμένη διαλυμένη ουσία και ΕΑΝ τα δυο διαλύματα έχουν διαφορετικές συγκεντρώσεις τότε παρατηρείται (καθαρή) κίνηση διαλυμένης ουσίας από το διάλυμα της υψηλής συγκέντρωσης προς το διάλυμα της χαμηλής συγκέντρωσης προκειμένου οι συγκεντρώσεις των δύο διαλυμάτων να εξισωθούν (κατάσταση ισορροπίας). Άρα η κινητήριος δύναμη στη διάχυση είναι η διαφορά της συγκέντρωσης και επομένως η διάχυση δεν καταναλώνει ενέργεια. Η κυτταρική μεμβράνη είναι μια επιφάνεια η οποία διαχωρίζει δύο διαλύματα: το εξωκυττάριο υγρό και το κυτταρόπλασμα. Τα διαλύματα αυτά έχουν διαλυμένες ουσίες σε διαφορετικές συγκεντρώσεις και η κυτταρική μεμβράνη είναι διαπερατή σε ορισμένες από αυτές. (α) Παθητική διάχυση: Η ουσία μετακινείται από την υψηλότερη συγκέντρωση προς την χαμηλότερη συγκέντρωση. Διακρίνουμε ΔΥΟ περιπτώσεις: (1) Η ουσία είναι διαλυτή στα λιπίδια της κυτταρικής μεμβράνης είτε λόγω του πολύ μικρού τους μεγέθους π.χ. το οξυγόνο, το διοξείδιο του άνθρακα, είτε λόγω της λιποδιαλυτής τους φύσης π.χ. Τα λιπαρά οξέα). Τότε όταν η ουσία αυτή έρθει σε επαφή με τα λιπίδια της μεμβράνης διαλύεται σε αυτά και συνεχίζει την κίνησή της. Όσο πιο ευδιάλυτη είναι η ουσία στα λιποειδή τόσο πιο γρήγορα διαπερνά την μεμβράνη. (2) Η ουσία δεν είναι διαλυτή στα λιπίδια π.χ. το νερό (Η2Ο) και διάφορα ιόντα, όπως τα ιόντα νατρίου (Να+) και καλίου (Κ+). Τότε διαχέεται μέσα από διαμεμβρανικές πρωτεΐνες που δημιοργούν κανάλια ή πόρους, δηλαδή τρύπες από τη μια άκρη της μεμβράνης στην άλλη, όπως π.χ. τα κανάλια νατρίου και τα κανάλια καλίου. (β) Διευκολυνόμενη διάχυση: Η ουσία μετακινείται και πάλι από την υψηλότερη συγκέντρωση προς την χαμηλότερη συγκέντρωση. Η ουσία αυτή κάθε αυτή δεν είναι λιποδιαλυτή, συνδέεται όμως με ένα φορέα και ο συνδυασμός ουσία και φορέας είναι λιποδιαλυτός και διαπερνά την μεμβράνη. Παράδειγμα τέτοιας μεταφοράς είναι η μετακίνηση γλυκόζης. (γ) Ενεργός Μεταφορά: Συχνά απαιτείται η μετακίνηση μιας ουσίας από την πλευρά της χαμηλότερης συγκέντρωσης προς την πλευρά της υψηλότερης συγκέντρωσης. Το κύτταρο τότε χρησιμοποιεί και πάλι φορέα, μόνο που αυτή τη φορά κατά την μετακίνηση καταναλώνεται ενέργεια Μέθοδοι με τις οποίες μία μεγαλομοριακή ουσία διαπερνά την κυτταρική μεμβράνη Μια μεγαλομοριακή εισέρχεται στο κύτταρο με τη διαδικασία της ενδοκυττάρωσης και εξέρχεται από το κύτταρο με τη διαδικασία της εξωκυττάρωσης. Κατά την ενδοκυττάρωση 19

20 η εισερχόμενη ουσία εισέρχεται σε μια ενδίπλωση της κυτταρικής μεμβράνης. Στη συνέχεια η ενδίπλωση αυτή κλείνει και το κυστίδιο που σχηματίζεται αποκόπτεται από την μεμβράνη και μεταφέρεται προς το εσωτερικό του κυττάρου. Η εξωκυττάρωση είναι η αντίστροφη πορεία από την ενδοκυττάρωση και με αυτήν επιτυγχάνεται η απομάκρυνση των μακρομορίων. 4.4 Η ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ ΚΑΙ ΤΑ ΛΙΠΟΣΩΜΑΤΑ. Η λιπιδική διπλοστιβάδα είναι ένα δισδιάστατο ρευστό. Η ρευστότητα της διπλοστιβάδας μπορεί να μελετηθεί χρησιμοποιώντας συνθετικές λιπιδικές διπλοστιβάδες. Βασικό τρόπο μελέτης των κυτταρικών μεμβρανών αποτελεί η εργαστηριακή κατασκευή λιποσωμάτων. Τα λιποσώματα, είναι κλειστά σφαιρικά κυστίδια και σχηματίζονται όταν προστεθούν στο νερό καθαρά φωσφολιπίδια. Η διάμετρός τους ποικίλει από 25nm έως 1mm. Ο ρόλος τους είναι πολυδιάστατος και αποτελεί τη θεμελιώδη βάση πάνω στην οποία δομούνται όλες οι θεωρίες για την κυτταρική μεμβράνη. Τα λιποσώματα μας δίνουν τη δυνατότητα: I. Να μελετήσουμε τη διαπερατότητα της κυτταρικής μεμβράνης, II. III. Να εξετάσουμε την εισαγωγή φαρμάκων στα κύτταρα ενός οργανισμού με σκοπό την καταπολέμηση ιών ή ασθενειών ή να ενισχύσουμε τον οργανισμό, Και να επιχειρήσουμε την εισαγωγή τμημάτων DNA ή πλασμιδίων για τη γονιδιακή θεραπεία. Συμπερασματικά, καταλαβαίνουμε την τεράστια σημασία των λιποσωμάτων στον τομέα της βιοϊατρικής και συγκεκριμένα στην επικοινωνία μεταξύ κυττάρων. 4.5 ΣΧΕΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΚΑΙ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑΣ ΤΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ Όλα τα κύτταρα έχουν μία διαφορά δυναμικού ηλεκτρικού ή μεμβρανικού διαμέσου της κυτταρικής μεμβράνης τους. Για να κατανοήσουμε πώς προκύπτει αυτό το δυναμικό, είναι χρήσιμο να αναφέρουμε πρώτα μερικές αρχές του ηλεκτρισμού. Στα μέταλλα, το ηλεκτρικό ρεύμα μεταφέρεται με τα ηλεκτρόνια. Αντιθέτως στα υδατικά διαλύματα μεταδίδεται με ιόντα, είτε θετικά είτε αρνητικά φορτισμένα. Η ροή των ιόντων διαμέσου μιας κυτταρικής μεμβράνης μπορεί να ανιχνευθεί ως ηλεκτρικό ρεύμα και η συσσώρευση ιόντων ως συσσώρευση ηλεκτρικού φορτίου ή αλλιώς μεμβρανικού δυναμικού. Το μεμβρανικό δυναμικό θα εξετάσουμε στο πέμπτο κεφάλαιο. 20

21 5.ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΣΤΑ ΚΥΤΤΑΡΑ 5.1 ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΗΡΕΜΙΑΣ Σε όλα τα κύτταρα υπάρχει διαφορά δυναμικού μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού της κυτταρικής μεμβράνης. Τόσο στον εξωκυττάριο όσο και στον ενδοκυττάριο χώρο υπάρχουν αρνητικά και θετικά φορτία (ιόντα) ίσα μεταξύ τους. Στον εξωκυττάριο χώρο το κύριο κατιόν είναι το Να+ και το κύριο ανιόν το Cl- Αντίστοιχα για τον ενδοκυττάριο χώρο το κύριο κατιόν είναι το Κ+ και μεγάλα οργανικά ανιόντα. Όμως μέσα από την κυτταρική μεμβράνη υπάρχει περίσσεια αρνητικά φορτισμένων ιόντων ενώ έξω από αυτή συγκεντρώνονται σε ίση ποσότητα θετικά φορτισμένα ιόντα. Το αποτέλεσμα είναι πόλωση, δηλαδή διαφορά δυναμικού μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού της κυτταρικής μεμβράνης. Το δυναμικό αυτό ονομάζεται δυναμικό ηρεμίας (rest potential), είναι χαρακτηριστικό για κάθε είδος κυττάρου και έχει μέγεθος λίγα mv, διότι στη γένεσή του συμμετέχει μόνον ένας πολύ μικρός αριθμός ιόντων. Μπορούμε να το μετρήσουμε αν βάλουμε ένα ηλεκτρόδιο μέσα στο κύτταρο και ένα άλλο σε επαφή με την εξωτερική επιφάνεια της κυτταρικής μεμβράνης και τα συνδέσουμε με ευαίσθητο βολτόμετρο. Επειδή κατά συνθήκη το δυναμικό έξω από το κύτταρο ορίζεται αυθαίρετα ως μηδέν και υπάρχει σχετική περίσσεια αρνητικών φορτίων μέσα από τη μεμβράνη, η διαφορά δυναμικού μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού της κυτταρικής μεμβράνης εκφράζεται ως αρνητική τιμή. Για τη γένεση και τη συντήρηση του δυναμικού ηρεμίας είναι υπεύθυνη κυρίως η αντλία Να+ - Κ+. Αυτή τραβά συνεχώς μόρια Να+ προς τα έξω και αφήνει ίσο αριθμό ανιόντων μέσα στο κύτταρο, δεδομένου ότι τα ανιόντα είναι μεγάλα μόρια που δεν μπορούν να διασχίσουν την κυτταρική μεμβράνη. Τα ανιόντα αυτά έλκουν για ηλεκτροστατικούς λόγους μέσα στο 21

22 κύτταρο ιόντα Κ+ που μπορούν να διαπεράσουν την κυτταρική μεμβράνη. Με τον τρόπο αυτό συγκεντρώνονται ιόντα Να+ έξω από το κύτταρο και ιόντα Κ+ μέσα σ αυτό. Μάλιστα για κάθε 3 ιόντα Να+ που εξέρχονται εισέρχονται 2 ιόντα Κ+.(εδώ μπορείτε να σκεφτείτε ότι φεύγοντας τα 3 ιόντα Να+ αφήνουν πίσω τους μια περίσσεια ανιόντων η οποία δεν εξουδετερώνεται από την είσοδο των κατιόντων Κ+ γι αυτό και το εσωτερικό διατηρείται φορτισμένο αρνητικά). Σε όλα τα κύτταρα με συνθήκες ηρεμίας ανάμεσα στο εσωτερικό και στο εξωτερικό τοίχωμα της κυτταρικής μεμβράνης αναπτύσσεται διαφορά δυναμικού περίπου - 70 mv. 5.2 ΔΙΕΓΕΡΣΙΜΟΤΗΤΑ- ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Σχήμα 5.1: Αντλία Νατρίου- Καλίου Δυναμικό ηρεμίας (rest potential) παρουσιάζουν όλα τα είδη κυττάρων. Δύο όμως είδη κυττάρων, τα μυϊκά και τα νευρικά, παρουσιάζουν διεγερσιμότητα, έχουν δηλαδή την ικανότητα να απαντούν σε κάποιο ερέθισμα (μηχανικό, χημικό, ηλεκτρικό κ.ά.) με παραγωγή ηλεκτρικού σήματος που μεταφέρεται αμείωτο κατά μήκος της μεμβράνης. Τα κύτταρα αυτά ονομάζονται διεγέρσιμα κύτταρα. Η απότομη παλμική μεταβολή του δυναμικού της μεμβράνης ενός διεγέρσιμου κυττάρου μετά τη δράση ερεθίσματος ονομάζεται δυναμικό ενεργείας (+40mV στο σχήμα) και έχει δύο φάσεις. Την εκπόλωση, την αναστροφή δηλαδή του δυναμικού και την επαναπόλωση, την επάνοδο δηλαδή του δυναμικού στην αρχική κατάσταση πόλωσης. Για να διεγερθεί ένα κύτταρο πρέπει το ερέθισμα να έχει κάποια ελάχιστη ένταση ώστε να προκαλέσει μια αρχική μεταβολή στο δυναμικό της μεμβράνης και να το φτάσει σε ένα επίπεδο. Ερέθισμα χαμηλότερης έντασης δεν μπορεί να προκαλέσει δυναμικό ενέργειας. 22

23 Η αρχική φάση της εκπόλωσης οφείλεται σε τοπικό ρεύμα και προκαλεί το άνοιγμα των διαύλων νατρίου. Με το άνοιγμα αυτών, περισσότερα ιόντα νατρίου εισέρχονται εντός του κυττάρου και κατ επέκταση τα θετικά ιόντα νατρίου, που εισέρχονται, είναι περισσότερα από τα θετικά ιόντα καλίου, που εξέρχονται από το κύτταρο. Η προσθήκη θετικού φορτίου στο εσωτερικό των κυττάρων εκπολώνει περισσότερο την μεμβράνη, με αποτέλεσμα το άνοιγμα ακόμα περισσότερων διαύλων νατρίου. Συνεπώς, υπάρχει ένας κύκλος θετικής ανατροφοδότησης, που είναι υπεύθυνος για τη φάση εκπόλωσης του δυναμικού ενέργειας. Αυτό μπορεί να οδηγήσει ακόμα και σε αναστροφή της πολικότητας της μεμβράνης, οπότε το δυναμικό της τείνει προς το δυναμικό ισορροπίας του νατρίου. Τα δυναμικά ενέργειας στα νευρικά κύτταρα διαρκούν μόνο περίπου 1 msec και η αναστροφή της πολικότητας είναι απότομη. Η μετακίνηση του νατρίου προς το εσωτερικό του κυττάρου δημιουργεί το ηλεκτρικό σήμα, που είναι απαραίτητο για την επικοινωνία των διαφόρων τμημάτων του κυττάρου. Το δυναμικό της μεμβράνης επιστρέφει ταχέως στο δυναμικό ηρεμίας επειδή οι δίαυλοι νατρίου απενεργοποιούνται, όταν πλησιάζει το κορυφαίο σημείο του δυναμικού ενέργειας, και οι δίαυλοι καλίου ανοίγουν αποκρινόμενοι στην εκπόλωση. Το κλείσιμο των διαύλων νατρίου οφείλεται σε μια τασεοπροκαλούμενη μεταβολή της στερεοδιαμόρφωσης των πρωτεϊνών που τους α- ποτελούν. Το άνοιγμα των διαύλων καλίου προκαλείται από την ίδια εκπόλωση (που προκαλεί και το άνοιγμα των διαύλων νατρίου), αλλά ελαφρώς καθυστερημένα. Δεδομένου ότι οι δίαυλοι νατρίου έχουν κλείσει, η διαδικασία οδηγεί γενικά σε μια υπερπόλωση του δυναμικού της μεμβράνης των νευρικών κυττάρων (μεταϋπερπόλωση μεταδυναμικό). Η διαπερατότητα της μεμβράνης για το χλώριο δεν μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια του δυναμικού ενέργειας. Σημειώνεται ότι η ενδοκυττάρια συσσώρευση νατρίου και η απώλεια καλίου παρεμποδίζονται από τη συνεχή δράση των μεμβρανικών αντλιών της Να, Κ-ΑΤΡ-άσης. Επίσης, σε ο- ρισμένους νευρώνες και άλλους τύπους κυττάρων, η εκπόλωση της μεμβράνης προκαλεί το άνοιγμα διαύλων ασβεστίου. Η συνεπαγόμενη αύξηση της ενδοκυττάριας συγκέντρωσης του 23

24 ασβεστίου δεν μεταβάλλει μόνο τη διεγερσιμότητα της μεμβράνης, αλλά προκαλεί επίσης γεγονότα εντός των κυττάρων αυτών. Η χορήγηση ενός νέου ερεθίσματος στο κύτταρο στη διάρκεια της εκπόλωσης και στην αρχή της επαναπόλωσης δεν μπορεί να προκαλέσει νέο δυναμικό ενεργείας όποια ένταση και αν έχει αυτό το ερέθισμα. Τα τοπικά αναισθητικά (π.χ. λιδοκαϊνη, προκαϊνη) συνδέονται με τους διαύλους και παρεμποδίζουν το άνοιγμά τους. Με αυτόν τον τρόπο δεν επιτρέπουν τη γένεση των δυναμικών ενέργειας. 5.3 Η ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΤΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΤΟΥΣ ΝΕΥΡΩΝΕΣ Στο κυτταρικό σώμα του νευρώνα υπάρχει ο πυρήνας που περιέχει το DNA καθώς και οργανίδια απαραίτητα για τη σύνθεση πρωτεϊνών. Από το κυρίως σώμα ξεκινούν οι δενδρίτες που σχηματίζουν δομές με πολλές διακλαδώσεις και συνδέονται χωρίς επαφή με τις συνάψεις άλλου νευρώνα εξασφαλίζοντας τη σύνδεση εν σειρά πολλών νευρικών κυττάρων που σχηματίζουν ένα νεύρο του περιφερικού νευρικού συστήματος. 24

25 Ο άξονας είναι μια ίνα με διάμετρο μm και μήκος που ποικίλει από μερικά μικρόμετρα μέχρι πάνω από ένα μέτρο. Μέσα από τον άξονα διαδίδονται τα ηλεκτρικά σήματα μακριά από το κυτταρικό σώμα του και καταλήγει σε μια απόληξη (σύναψη) που είναι υπεύθυνη για την απελευθέρωση χημικών ουσιών (νευροδιαβιβαστών) από τους νευρώνες στο απέναντι κύτταρο διαχέοντας αυτές στο μεταξύ τους εξωκυττάριο χώρο προκαλώντας την διέγερση του επόμενου κυττάρου. Οι ελεγχόμενοι από το δυναμικό δίαυλο Ca 2+ των νευρικών απολήξεων μετατρέπουν τα ηλεκτρικά σήματα σε χημικά. Όταν το δυναμικό ενεργείας φτάσει στα άκρα του άξονα, δηλαδή τις νευρικές απολήξεις, το σήμα πρέπει με κάποιο τρόπο να μεταδοθεί στα κύτταρα που είναι σε επαφή με τις απολήξεις, τα οποία είναι συνήθως άλλα νευρικά κύτταρα ή μυϊκά. Το σήμα μεταδίδεται σε συγκεκριμένες θέσεις επαφής που ονομάζονται συνάψεις. Για να μεταφερθεί ένα μήνυμα από ένα νευρώνα σε έναν άλλο, το βιοηλεκτρικό σήμα μετατρέπεται σε χημικό σήμα με τη μορφή ενός μικρού μορίου σηματοδότησης που ονομάζεται νευροδιαβιβαστής. Οι νευροδιαβιβαστές είναι προκατασκευασμένοι και αποθηκεύονται στις νευρικές απολήξεις, συσκευασμένοι μέσα σε συναπτικά κυστίδια που περιβάλλονται από μεμβράνη. Απελευθερώνονται με εξωκυττάρωση από τη νευρική απόληξη, όταν στη νευρική απόληξη φτάσει ένα δυναμικό ενεργείας. Η εκπόλωση της κυτταρικής μεμβράνης της νευρικής απόληξης παροδικά ανοίγει ελεγχόμενους διαύλους Ca 2+ οι οποίοι είναι συγκεντρωμένοι στην κυτταρική μεμβράνη της νευρικής απόληξης. Επειδή η συγκέντρωση του Ca 2+ έξω από το κύτταρο είναι πάνω από 1000 φορές μεγαλύτερη από τη συγκέντρωση του ελεύθερου Ca 2+ στο κυτταροδιάλυμα, το Ca 2+ σπεύδει μέσα στις νευρικές απολήξεις μέσω ανοικτών διαύλων. Η αύξηση της συγκέντρωσης του Ca 2+ στο κυτταροδιάλυμα προκαλεί τη σύντηξη των συναπτικών κυστιδίων με την κυτταρική μεμβράνη, απελευθερώνοντας τον νευροδιαβιβαστή μέσα στη συναπτική σχισμή. Μέσω της διαδικασίας αυτής το ηλεκτρικό σήμα, μετατρέπεται σε χημικό. 25

26 Ο νευροδιαβιβαστής που απελευθερώνεται διαχέεται γρήγορα μέσα στη συναπτική σχισμή και προσδένεται σε υποδοχείς. Η πρόσδεση του νευροδιαβιβαστή στον υποδοχέα του αλλάζει το δυναμικό της μεμβράνης του κυττάρου που προσδένεται πάνω και ωθεί το κύτταρο να πυροδοτήσει ένα δυναμικό ενεργείας. Στη συνέχεια ο νευροδιαβιβαστής απομακρύνεται με ταχείς ρυθμούς. Η γρήγορη απομάκρυνση διασφαλίζει ότι μόλις ηρεμήσει το προσυναπτικό κύτταρο θα ηρεμήσει επίσης και το μετασυναπτικό. Θα μελετήσουμε πως μετακινείται το ηλεκτρικό σήμα μετά το ερέθισμα κατά μήκος του άξονα του νευρικού κυττάρου. Παρατηρώντας προσεκτικά το παρακάτω σχήμα βλέπουμε ότι στην περιοχή του ερεθίσματος αρχικά δημιουργείται εκπόλωση και φορτίζεται αρνητικά η εξωκυττάριος περιοχή. Κατόπιν τα θετικά φορτία που βρίσκονται δεξιά έλκονται και έτσι έ- χουμε μια μετατόπιση του ερεθίσματος προς τα δεξιά. Η ταχύτητα μετατόπισης του ερεθίσματος είναι μερικά μέτρα το δευτερόλεπτο. Άλλωστε αν είχαμε μεγαλύτερες ταχύτητες θα προκαλούνταν σύγχυση στον εγκέφαλο από την επεξεργασία τους. 26

27 27

28 6.ΚΥΤΤΑΡΟΣΚΕΛΕΤΟΣ: ΕΝΑ «ΟΔΙΚΟ» ΔΙΚΤΥΟ ΣΤΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΤΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ ΠΟΥ ΣΥΜΜΕΤΕΧΕΙ ΣΧΕΔΟΝ ΣΕ ΟΛΕΣ ΤΙΣ ΖΩΤΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΤΟΥ Σε όλες τις εικόνες που αναπαριστούν το εσωτερικό ενός κυττάρου, λόγω της παγωμένης εικόνας, αποκρύπτεται το πλήθος των δραστηριοτήτων του πολυάσχολου κυττάρου. Κάποιες από αυτές είναι η κυτταρική διαίρεση, η κίνηση, η σύλληψη της τροφής, η κατευθυνόμενη μετακίνηση των οργανιδίων, η απελευθέρωση της απαιτούμενης ενέργειας, η διατήρηση στη ζωή, ο θάνατος του κυττάρου, αλλά και η αλλαγή της μορφής του κτλ. Σε όλες αυτές τις διεργασίες, σημαντικό ρόλο παίζει ο κυτταροσκελετός, το πλέγμα δηλαδή των πρωτεϊνικών ινιδίων που καλύπτουν το εσωτερικό του κυττάρου. Με τη βελτίωση των οπτικών και ηλεκτρονικών μικροσκοπίων, αποκαλύφθηκε πως το κυτταρόπλασμα δεν είναι μία στατική ημίρρευστη μάζα μέσα στην οποία κινούνται τυχαία τα κυτταρικά οργανίδια, αντιθέτως είναι μία δυναμική δομή με δραστηριότητες και οργάνωση, τα οποία σε μεγάλο μέρος καθορίζονται από το εκτεταμένο δίκτυο ινιδίων του κυτταροσκελετού που διατρέχει όλη την έκταση του κυττάρου. Σχήμα 6.1: Απεικόνιση δικτύου ινιδίων του κυτταροσκελετού μέσω ηλεκτρονικού μικροσκοπίου 6.1 Η ΤΑΥΤΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΣΚΕΛΕΤΟΥ Όλα τα κύτταρα, ακόμη και τα βακτήρια, διαθέτουν στο κυτταρόπλασμα τους ένα εκτεταμένο δίκτυο πρωτεϊνικών νηματίων. Οι δομές αυτές διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τη διάμετρό τους και τη σύστασή τους σε πρωτεΐνες: οι μικροσωληνίσκοι που έχουν διάμετρο της τάξης των 25 nm και στο εσωτερικό τους είναι κοίλοι, τα ενδιάμεσα νημάτια των οποίων η μέση διάμετρος είναι 10 nm και τα ινίδια ακτίνης με διάμετρο περίπου 8 nm. Στα στοιχεία που αποτελούν τον κυτταρικό σκελετό περιλαμβάνεται και μια ειδική κατηγορία πρωτεϊνών οι κινητικές πρωτεΐνες. Οι πρωτεΐνες αυτές αξιοποιούνται από τα ευκαρυωτικά κύτταρα προκειμένου να μεταφέρουν κατά μήκος των διαφορετικών τύπων νηματίων του κυτταρικού σκελετού μια ποικιλία φορτίων, όπως οργανίδια, κυστίδια κ.ά. Ο ρόλος του κυτταροσκελετού στη σταθεροποίηση των κυτταρικών οργανιδίων. Το σύνολο των δομών αυτών παρέχει μηχανική στήριξη στο κύτταρο και του προσδίδει τόσο ακαμψία, όσο και δυνατότητα να αλλάζει το σχήμα του όποτε είναι αναγκαίο. Πιστεύεται ότι κατά την εξέλιξη του ευκαρυωτικού κυττάρου, η διαμερισματοποίηση του σε 28

29 οργανίδια που οριοθετούνται από μεμβράνες, συνοδεύτηκε από την εξέλιξη του κυτταροσκελετού, ο οποίος παρείχε μια εσωτερική σκαλωσιά για την τοποθέτηση και την στήριξη των οργανιδίων, αλλά και τις «ράγες» πάνω στις οποίες οργανίδια και μακρομόρια μετακινούνται από τη μια περιοχή του κυτταροπλάσματος στην άλλη. O κυτταροσκελετός αποτελεί δυναμική οντότητα που μπορεί να διαλύεται σε μια περιοχή του κυτταροπλάσματος και να σχηματίζεται σε μια άλλη, έτσι ώστε να εξυπηρετούνται οι μεταβαλλόμενες ανάγκες του κυττάρου. Σχήμα 6.2: Σχηματική τρισδιάστατη τομή του κυτταροσκελετού 6.2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΤΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΣΚΕΛΕΤΟΥ I. Μικροσωληνίσκοι: Οι μικροσωληνίσκοι είναι σκληροί, αλλά εύκαμπτοι κοίλοι σωλήνες με μεταβλητό μήκος. Αποτελούνται από μονομερή της πρωτεΐνης τουμπουλίνης (α και β υπομονάδες) που συνδέονται ώστε να αποτελέσουν ένα διμερές. Τα διμερή της τουμπουλίνης συνδέονται μεταξύ τους το ένα με το άλλο και σχηματίζουν επιμήκεις δομές που ονομάζονται πρωτονημάτια. Κάθε μικροσωληνίσκος είναι το αποτέλεσμα της συνένωσης 13 περίπου πρωτονηματίων που έχουν διαταχθεί παράλληλα το ένα προς το άλλο, ώστε να σχηματίσουν έναν κοίλο σωλήνα. 29

30 II. III. Σχήμα 6.3: Δομή μικροσωλινίσκων του κυτταροσκελετού Ενδιάμεσα νημάτια: Τα ενδιάμεσα νημάτια υπάρχουν σε όλα τα είδη των κυττάρων, όμως οι πρωτεΐνες από τις οποίες αποτελούνται ποικίλουν. Ορισμένα κύτταρα έχουν μια ποικιλία ενδιαμέσων νηματίων, μερικά όμως έχουν χαρακτηριστικά γι αυτά ενδιάμεσα νημάτια. Για παράδειγμα στους νευράξονες των νευρώνων υπάρχουν νευρονημάτια, στα μυϊκά κύτταρα υπάρχουν νημάτια δεσμίνης, ενώ στα επιθηλιακά κύτταρα υπάρχουν νημάτια κερατίνης. Μικρονημάτια: Τα μικρονημάτια, που ονομάζονται και νημάτια ακτίνης αν και ανακαλύφθηκαν πρώτη φορά στα μυϊκά κύτταρα, (όπου ολισθαίνουν κατά μήκος της μυοσίνης, προκειμένου να κάνουν δυνατή τη σύσπαση των κυττάρων αυτών), υπάρχουν σε όλα τα κύτταρα, όπως άλλωστε και η ακτίνη, η πρωτεΐνη που τα αποτελεί. Κάθε μικρονημάτιο αποτελείται από πολυάριθμα μόρια ακτίνης που διατάσσονται ελικοειδώς, ώστε να αποτελέσουν την ολοκληρωμένη δομή του. 30

31 Σχήμα 6.4: Απεικόνιση Μικρονημάτιων Ενδιάμεσων Νημάτιων και Νημάτιων Ακτίνης Σχήμα 6.5: Στάδια πολυμερισμού μικροσωλινίσκων 31

32 6.3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΤΜΗΜΑΤΩΝ ΤΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΣΚΕΛΕΤΟΥ I. Μικροσωληνίσκοι: Αποτελούν δυναμικές δομές που υφίστανται συνεχή συναρμολόγηση και αποσυναρμολόγηση. Η λειτουργία τους σχετίζεται τόσο με τη διατήρηση της μορφής του κυττάρου, όσο και με την εκτέλεση ποικίλων κινήσεων στις οποίες συμπεριλαμβάνονται μορφές κυτταρικής κίνησης, ενδοκυτταρική μετακίνηση οργανιδίων καθώς και οι κινήσεις των χρωμοσωμάτων κατά την πυρηνική διαίρεση. Για την εκτέλεση των κινήσεων αυτών κρίσιμης σημασίας είναι η «πολικότητα» που παρουσιάζουν τα άκρα των μικροσωληνίσκων. Καθώς κάθε α υπομονάδα συνδέεται με μια β υπομονάδα, όταν δημιουργείται ένα πρωτονημάτιο στο ένα άκρο του έχει την α υπομονάδα (χαρακτηρίζεται + άκρο), ενώ το άλλο έχει τη β υπομονάδα (χαρακτηρίζεται άκρο). Και το αποτέλεσμα όμως της συνένωσης των πρωτονηματίων, δηλαδή ο μικροσωληνίσκος, έχει ένα άκρο που αποτελείται μόνο από α υπομονάδες και ένα άκρο που αποτελείται μόνο από β υπομονάδες, καθώς τα πρωτονημάτια συνδέονται παράλληλα και με τον ίδιο προσανατολισμό. Επειδή μάλιστα τα + άκρα αντιπροσωπεύουν την περιοχή του μικροσωληνίσκου στην οποία η προσθήκη των διμερών της τουμπουλίνης γίνεται με γρηγορότερο ρυθμό απ ότι στα άκρα, καθορίζουν την κατεύθυνση προς την οποία επιμηκύνεται ένας μικροσωληνίσκος, και συνεπώς την κατεύθυνση της κίνησης στην οποία συμβάλλει. Οι μικροσωληνίσκοι αποτελούν ιδιαίτερα ασταθείς δομές, καθώς αποσυναρμολογούνται πολύ εύκολα. Αυτό ενώ φαίνεται να αντιβαίνει στο ρόλο τους για την παροχή στήριξης στο κύτταρο, εντούτοις, του δίνει στο κύτταρο τη δυνατότητα να μεταβάλλει τη μορφή του τάχιστα, όποτε αυτό χρειάζεται, όπως λ.χ. κατά τη διάρκεια της μίτωσης. Η διαδικασία αυτή χαρακτηρίζεται δυναμική αστάθεια και καθορίζεται κυρίως από την υδρόλυση της τριφωσφορικής γουανοσίνης. Ο πολυμερισμός της τουμπουλίνης έχει ως αποτέλεσμα την επιμήκυνση του μικροσωληνίσκου, ενώ ο αποπολυμερισμός οδηγεί στην βράχυνσή του. Στη σταθεροποίηση της δομής των μικροσωληνίσκων συμβάλλουν ειδικές πρωτεΐνες που συνδέονται μαζί τους σε οποιοδήποτε άκρο τους, είτε κατά μήκος τους. Με τη μεσολάβηση αυτών των πρωτεϊνών, οι μικροσωληνίσκοι συνδέονται με διάφορες μεμβράνες του κυττάρου και οργανίδια. Οι περισσότεροι μικροσωληνίσκοι δημιουργούνται γύρω από ένα κέντρο οργάνωσής. Στα ζωικά κύτταρα το κέντρο αυτό είναι γενικώς το κεντροσωμάτιο στο εσωτερικό του οποίου υπάρχουν δύο καθέτως διευθετημένα κεντριόλια. Όταν το κύτταρο διαιρείται, διαιρείται συνήθως και το κεντροσωμάτιο. Οι μικροσωληνίσκοι προσδένονται με το άκρο τους στο κεντροσωμάτιο και καθώς το + άκρο, είναι αυτό στο οποίο κυριαρχεί ο πολυμερισμός της τουμπουλίνης, όσο ο μικροσωληνίσκος μεγαλώνει, τόσο περισσότερο απομακρύνεται από το κεντροσωμάτιο. Τα κεντροσωμάτια συνήθως βρίσκονται κοντά στον πυρηνικό φάκελο και οι μικροσωληνίσκοι που εκφύονται από αυτά εξακτινώνονται προς την πλασματική μεμβράνη. Φυσικά οι μικροσωληνίσκοι κατά την πυρηνική διαίρεση συγκροτούν τη μιτωτική άτρακτο, συμβάλλοντας στην κίνηση των χρωμοσωμάτων. Στα κύτταρα που δεν διαιρούνται οι μικροσωληνίσκοι διατρέχοντας το κυτταρόπλασμα, το οργανώνουν, καθορίζουν τη θέση των 32

33 οργανιδίων και συμβάλλουν στη διατήρηση του σχήματος του κυττάρου. Στα φυτικά κύτταρα και στις ζύμες που δεν υπάρχει κεντροσωμάτιο, για τη δημιουργία των μικροσωληνίσκων, πρέπει να είναι υπεύθυνο κάποιο άλλο κέντρο. Οι μικροσωληνίσκοι επίσης αποτελούν συστατικό στοιχείο των μαστιγίων και των βλεφαρίδων, των κυτταροπλασματικών δηλαδή προεκτάσεων χάρη στις οποίες κινούνται οι μονοκύτταροι ευκαρυωτικοί οργανισμοί, τα σπερματοζωάρια των ζωικών οργανισμών, των φυκών και μερικών φυτών. Αν και τα μαστίγια και οι βλεφαρίδες διαφέρουν ως προς το μήκος και τον αριθμό τους ανά κύτταρο, φέρουν στο εσωτερικό τους μικροσωληνίσκους (η γνωστή 9+2 διάταξη) που περιβάλλονται από μια προέκταση της πλασματικής μεμβράνης. Σχήμα 6.6 Ζεύγη μικροσωλινίσκων σε διάταξη 9+2 Μικροσωληνίσκοι και αντιμετώπιση του καρκίνου: Κάθε φάρμακο που παρεμβαίνει σε κάποια φυσική ή χημική διαδικασία που γίνεται στην κυτταρική διαίρεση, αποτελεί δυνητικά ένα φάρμακο για την αντιμετώπιση του καρκίνου. Έτσι οι μικροσωληνίσκοι που παίζουν σημαντικό ρόλο στην κυτταρική διαίρεση, διατάσσοντας τα χρωμοσώματα στη μιτωτική άτρακτο και απομακρύνοντάς τα κατά την ανάφαση, δεν μπορούν παρά να αποτελούν στόχο των αντικαρκινικών θεραπειών. Μερικά από τα χρησιμοποιούμενα αντικαρκινικά φάρμακα αποτρέπουν τον πολυμερισμό της τουμπουλίνης προς μικροσωληνίσκους, άλλα προάγουν τον αποπολυμερισμό των μικροσωληνίσκων προς τουμπουλίνη, ενώ άλλα «κλειδώνουν» ή σταθεροποιούν τους μικροσωληνίσκους που έχουν συναρμολογηθεί, ώστε να μη μπορούν να αποπολυμεριστούν, μια δηλαδή κατάσταση που κάνοντας τους μικροσωληνίσκους στατικούς, δεν ευνοεί την καρκινική κυτταρική διαίρεση. Μικροσωληνίσκοι και νόσος του Αλτσχάιμερ: Οι μικροσωληνίσκοι των νευρικών κυττάρων συνδέονται με πρωτεΐνες στις οποίες περιλαμβάνεται μια ειδική κατηγορία, οι ταυ πρωτεΐνες. Στα υγιή νευρικά κύτταρα οι πρωτεΐνες αυτές συνδεόμενες με την εξωτερική επιφάνεια των μικροσωληνίσκων, τους προσδίδουν σταθερότητα και α- καμψία, ιδιότητες που συμβάλλουν στην σταθεροποίηση της κατασκευής του κυττάρου. Στη νόσο όμως του Αλτσχάιμερ και σε άλλες μορφές άνοιας, λόγω μιας χημικής μεταβολής (υπεφωσφορυλίωση) οι πρωτεΐνες αυτές σχηματίζουν συσσωματώνονται ώστε να σχηματίσουν νευροϊνιδιακές συσσωρεύσεις. Λόγω των συσσωρεύσεων αυτών οι μικροσωληνίσκοι αποδιοργανώνονται και τελικώς αποδομούνται. Έτσι όμως το προσβεβλημένο νευρικό κύτταρο χάνοντας τους μικροσωληνίσκους χάνει και τα 33

34 οφέλη που αποκομίζει από αυτούς, όπως την κατευθυνόμενη μετακίνηση ουσιών και οργανιδίων με αποτέλεσμα να δυσλειτουργεί και τελικώς να πεθαίνει. Σχήμα 6.7 Αποδιοργάνωση μικροσωλινίσκων εξ αιτίας υπερφωσφορυλίωσης II. Ενδιάμεσα νημάτια (ε.ν.): Τα ε.ν. αντίθετα από τους μικροσωληνίσκους και τα μικρονημάτια, δεν συμμετέχουν ευθέως στις κυτταρικές κινήσεις, αλλά διαδραματίζουν πρωτίστως δομικό ρόλο, παρέχοντας στα κύτταρα και τους ιστούς μηχανική στήριξη. Επίσης, ενώ τα δύο άλλα στοιχεία του κυτταροσκελετού αποτελούνται από ένα είδος πρωτεϊνών το καθένα, τα ε.ν. αποτελούνται από διαφορετικές πρωτεΐνες, που εκφράζονται σε διαφορετικούς τύπους κυττάρων. Μεταξύ των πρωτεϊνών αυτών περιλαμβάνονται οι: κερατίνη (στα επιθηλιακά κύτταρα), η βιμεντίνη (σε μια ποικιλία κυττάρων όπως οι λείες μυϊκές ίνες, οι ινοβλάστες, τα λευκά αιμοσφαίρια κ.ά.) οι λαμίνες (συστατικά του πυρηνικού φακέλου) κ.ά., η δεσμίνη (στις γραμμωτές μυϊκές ίνες) κ.ά. Τα ενδιάμεσα νημάτια συγκροτούν ένα περίπλοκο δίκτυο στο κυτταρόπλασμα που ε- κτείνεται από έναν δακτύλιο που περιβάλλει τον πυρήνα, ως την πλασματική μεμβράνη. Το δίκτυο αυτό, καθώς συνδέεται με τα υπόλοιπα στοιχεία του κυτταρικού σκελετού παρέχει την εσωτερική σκαλωσιά που οργανώνει και στηρίζει εσωτερικά το κύτταρο. Ειδικότερα η κερατίνη και η βιμεντίνη, συνδεόμενες με τον πυρηνικό φάκελο συμβάλλουν στην σταθεροποίηση της θέσης του πυρήνα στο κυτταρόπλασμα. Τα ενδιάμεσα νημάτια δεσμίνης συνδέουν την ακτίνη με τη μυοσίνη στα μυϊκά κύτταρα, ενώ τα νευρονημάτια, που είναι τα κύρια ε.ν. των ώριμων νευρώνων και αφθονούν στους μακρούς νευράξονες τους, πιστεύεται ότι παρέχουν στήριξη στα υπόλοιπα στοιχεία του κυτταρικού σκελετού στις μακρές και λεπτές αποφυάδες των νευρικών κυττάρων. 34

35 Σχήμα 6.8 Ενδιάμεσα νημάτια (απεικονίζονται με πράσινο χρώμα) Ενδιάμεσα ινίδια και νοσήματα του δέρματος και του νευρικού συστήματος Πομφολυγώδης επιδερμόλυση: Είναι γενετικό νόσημα του συνδετικού ιστού που ο- φείλεται σε υπερέχουσες αυτοσωμικές μεταλλάξεις του γονιδίου που κωδικοποιεί την παραγωγή κερατίνης. Εξαιτίας της δυσλειτουργίας των μεταλλαγμένων μορφών κερατίνης τα κύτταρα του δέρματος γίνονται λιγότερα ελαστικά και διαρρηγνύονται όταν υποστούν μηχανικές πιέσεις. Ακόμη και η απλή τριβή προκαλεί καταστροφή και απομάκρυνση των κυττάρων, οπότε το υγρό που συσσωρεύεται μεταξύ τους δημιουργεί επώδυνες φουσκάλες. Αμινοτροφική πλευρική σκλήρυνση: Είναι το νόσημα από το οποίο πάσχει ο διάσημος φυσικός Stephen Hawking. Στο νόσημα η ανώμαλη συναρμολόγηση των νευροϊνιδίων και η συσσώρευσή τους, προκαλεί προοδευτική απώλεια των κινητικών νευρώνων που με τη σειρά της οδηγεί σε ατροφία των μυών και επακόλουθο θάνατο. III. Νημάτια Ακτίνης (μικρονημάτια) Η κύρια κυτταροπλασματική πρωτεΐνη των περισσότερων κυττάρων είναι η ακτίνη που πολυμερίζεται προκειμένου να συγκροτήσει τα ομώνυμα νημάτια. Τα λεπτά και εύκαμπτα νημάτια της σχηματίζουν στο εσωτερικό του κυττάρου τρισδιάστατα δίκτυα που συναρμολογούνται και αποσυναρμολογούνται και συνδέονται με άλλες κυτταρικές δομές, όπως η πλασματική μεμβράνη, κάτω από την επίδραση μιας ποικιλίας πρωτεϊνών οι οποίες συνδέονται με την ακτίνη. Το δίκτυο αυτό, που είναι πυκνό κάτω από την πλασματική μεμβράνη (ονομάζεται φλοιός του κυττάρου), καθορίζει το σχήμα του κυττάρου και συμμετέχει στις κινήσεις 35

36 του, από την αλλαγή της θέσης του, ως τη διαίρεσή του και την προεκβολή ελασματοποδίων και ψευδοποδίων. Τα νημάτια της ακτίνης, όπως και οι μικροσωληνίσκοι διαθέτουν πολικότητα. Αυτό οφείλεται στο ότι κάθε μονομερές της ακτίνης (G ακτίνη) διαθέτει + και άκρο και στο ότι κατά τη σύνδεση των διαδοχικών μονομερών το + άκρο του ενός μορίου συνδέεται με το άκρο του άλλου, έτσι ώστε και το πολυμερές (F ακτίνη) να έχει + και άκρο. Η αύξηση, ή με άλλα λόγια η προσθήκη μονομερών, γίνεται και στα δύο άκρα, αλλά με μεγαλύτερη ταχύτητα στο + παρά στο άκρο. Από μεταλλάξεις των γονιδίων που κωδικοποιούν την ακτίνη προκύπτει ένα πλήθος μυοπαθειών που στην πλειονότητά τους είναι υπερέχουσες αυτοσωμικές. Σχήμα 6.9 Τυπική απεικόνιση μικρονημάτιου IV. Κινητικές πρωτεΐνες Στον κυτταρικό σκελετό περιλαμβάνονται και οι κινητικές πρωτεΐνες, ένα δηλαδή είδος πρωτεϊνών που χρησιμοποιώντας ως ράγες τα διαφορετικά είδη νηματίων του ενδοσκελετού μεταφέρουν ποικίλα φορτία, όπως κυστίδια, πρωτεΐνες ακόμη και οργανίδια. Οι πρωτεΐνες αυτές, στις οποίες συμπεριλαμβάνονται οι κινεσίνες, οι δυνεΐνες και η μυοσίνη, καλύπτουν την ανάγκη τα προς μεταφορά φορτία να άγονται μακριά από την αρχική τους θέση (πολλά μικρόμετρα) σε καθορισμένους προορισμούς μέσω μιας καθορισμένης πορείας, κάτι δηλαδή που δεν θα μπορούσε να εγγυηθεί η διάχυση. Και τα τρία είδη μορίων αντλούν ενέργεια για τις κινήσεις στις οποίες συμβάλλουν από το ΑΤΡ. Η μυοσίνη συνδεόμενη με την ακτίνη προκαλεί την ολίσθησή της, ώστε να βραχυνθούν τα σαρκομέρια και να πραγματοποιηθεί η μυϊκή συστολή. Οι κινεσίνες και οι δυνεΐνες μεταφέρουν κυστίδια, οργανίδια και μόρια κατά μήκος των μικροσωληνίσκων. Ενώ όμως οι κινεσίνες τα μεταφέρουν με κατεύθυνση από το κέντρο του κυττάρου προς την περιφέρεια, οι δυνεΐνες μεταφέρουν φορτία από την περιφέρεια του κυττάρου προς το κέντρο του. A Day in the Life of a Motor Protein : 36

37 7. ΤΑ ΕΙΔΗ ΙΣΤΟΥ ΣΤΟ ΑΝΡΘΩΠΙΝΟ ΣΩΜΑ Εισαγωγή Σχήμα 7.1 Τα είδη του ιστού στον άνθρωπο Το σώμα ενός μέσου ενηλίκου έχει περίπου 100 τρισεκατομμύρια κύτταρα (2014). Τα κύτταρα αυτά εμφανίζουν εξαιρετική ποικιλομορφία, που αφορά το μέγεθος, το σχήμα, το χρώμα τους. Παρά το γεγονός οτι προέρχονται απο ένα αρχικό κύτταρο, το ζυγωτό, στη συνέχεια με αλλεπάλληλες μιτωπικές διαιρέσεις αποκτούν διαφορετικά μορφολογικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά. Με τον τρόπο αυτό εξειδικεύονται και επιτελούν διαφοερτικές λειτουργίες του οργανισμού. Τα κύτταρα παρουσιάζουν μεγάλη ποικιλία μεγεθών και διαστάσεων, αντιπροσωπευτικών της ικανότητάς τους για εξελικτική προσαρμογή σε διαφορετικά περιβάλλοντα και της διαφοροποίησής τους. Η διάμετρός τους ποικίλει. Τα ανθρώπινα κύτταρα είναι της τάξης των 5 χιλιοστών του χιλιοστομέτρου μέχρι 1,5 χιλιοστόμετρο. Το κύτταρο είναι ορατό και μπορεί να μελετηθεί μόνο με μικροσκόπιο και πάντα εφόσον δεχθεί μια ειδική προετοιμασία. Κύτταρα τα οποία είναι όμοια απαρτίζουν έναν ιστό. Διακρίνουμε τέσσερα είδη ιστών: τον επιθηλιακό, τον ερειστικό, το μυϊκό και το νευρικό. 37

38 Σχήμα 7.2 Τα τέσσερα είδη των ιστών που απαντώνται στον άνθρωπο 38

39 Σχήμα 7.3 Τα έξι συστήματα του ανθρώπινο οργανισμού 39

40 7.1 Ο ΕΠΙΘΗΛΙΑΚΟΣ ΙΣΤΟΣ Αποτελείται από κύτταρα στενά συνδεδεμένα μεταξύ τους τα οποία ορίζουν επιφάνειες με μία ποικίλη μορφολογία. Ο ιστός αυτός, που αναφέρεται γενικά ως επιθήλιο, καλύπτει εξωτερικά το σώμα και τα όργανα καθώς επίσης κοιλότητες και αγωγούς, όπως τα αγγεία και επενδύει εσωτερικά τις κοιλότητες του σώματος. Από τα επιθήλια προέρχονται επίσης διάφοροι μαζικοί σχηματισμοί όπως οι αδένες. Ο ρόλος του επιθηλιακού ιστού είναι κυρίως προστατευτικός. Από τη μία απομακρύνει τη βλέννα και τη σκόνη (πχ κροσσωτό επιθήλιο αεροφόρων οδών), ενώ παράλληλα επιτρέπει τη διάχυση και την απορρόφηση ουσιών. Επιπλέον συμβάλλει στην παραγωγή και έκκριση προϊόντων (πχ αδένες) και βοηθά στην απορρόφηση ουσιών (πχ μικρολάχνες εντέρου). Γενικά, οι διαφοροποιήσεις των επιθηλίων είναι τόσο έντονες που έχουν ως αποτέλεσμα τη δημιουργία τελείως εξειδικευμένων οργάνων με λειτουργίες προστασίας (δέρμα), έκκρισης (αδένες), πρόσληψης ερεθισμάτων (αισθητήρια) ή και κίνησης (βλεφαριδωτά επιθήλια). Τα επιθήλια, αναπόφευκτα, έρχονται σε επαφή από τη μία με άλλους ιστούς, συνήθως ερειστικούς, και από την άλλη με κοιλότητες του σώματος ή με το εξωτερικό περιβάλλον. Με αυτό τον τρόπο μπορούμε να διακρίνουμε σε κάθε επιθήλιο μια βασική επιφάνεια που έρχεται σε επαφή με τον άλλο ιστό και μια ελεύθερη επιφάνεια με την οποία επικοινωνεί με την κοιλότητα ή με το περιβάλλον. Έτσι λοιπόν, διαμορφώνεται μια πόλωση του επιθηλίου με άξονα κάθετο στο επίπεδο του επιθηλίου. Η στενή επαφή των επιθηλιακών κυττάρων, οι συμπιέσεις που υφίστανται και η πόλωση διαμορφώνουν τόσο το σχήμα των επιθηλιακών κυττάρων όσο και τη φυσιολογία τους, ακόμη και τη διάταξη των οργανιδίων μέσα σε αυτά. Τα κύτταρα ενός επιθηλίου έχουν όλα περίπου το ίδιο μέγεθος και σχήμα. Τα κυτταρικά οργανίδια είναι διατεταγμένα πάνω και κάτω από τον πυρήνα, με χαρακτηριστικό όμως προσανατολισμό του συμπλέγματος Golgi προς την ελεύθερη επιφάνεια του επιθηλίου. Τα επιθήλια διαιρούνται σε κατηγορίες, ανάλογα με το σχήμα των κυττάρων τους (πλακώδη, κυβικά και κυλινδρικά), με τη διάταξη των κυτταρικών στρωμάτων και τη διαφοροποίηση της εξωτερικής επιφάνειας των κυττάρων. Σε πολλά επιθηλιακά κύτταρα η ελεύθερη επιφάνεια φέρει διαφοροποιημένα εξαρτήματα, όπως βλεφαρίδες, θηλές κλπ. Σχήμα 7.4 Απεικόνιση ειδών επιθήλιου ιστού 40

41 Σχήμα 7.5 Σχηματική απεικόνιση επιφανειών επιθήλιου ιστού Σχήμα 7.6 Τομή καλυπτήριου επιθηλιακού ιστού Σχήμα 7.7 Τα επιθηλιακά κύτταρα του λεπτού εντέρου φέρουν πολυάριθμες μικρολάχνες, οι οποίες συμβάλλουν στην απορρόφηση χρήσιμων τελικών προϊόντων για την πέψη 41

42 7.2 ΕΡΕΙΣΤΙΚΟΣ ΙΣΤΟΣ Σχήμα 7.8 Τρισδιάστατη τομή του τοιχώματος του οισοφάγου Αποτελείται από κύτταρα που βρίσκονται μέσα σε άφθονη μεσοκυττάρια ουσία. Η μεσοκυττάρια ουσία μπορεί να περιέχει δύο τύπων πρωτεϊνικά ινίδια, το κολλαγόνο, που της προσδίδει αντοχή και ελαστικότητα και την ελαστίνη, που της προσδίδει περισσότερη ελαστικότητα. Ο ερειστικός ιστός συνδέει δομές μεταξύ τους, προσφέρει στήριξη και προστασία. Διακρίνεται σε συνδετικό, χόνδρινο και οστίτη ιστό. I. Ο συνδετικός ιστός διακρίνεται σε χαλαρό και πυκνό. Ο χαλαρός συνδετικός ιστός συναντάται κυρίως στο δέρμα. Η μεσοκυττάρια ουσία του περιέχει ίνες κολλαγόνου και ελαστίνης (εικ.1.5). Η μεσοκυττάρια ουσία του πυκνού συνδετικού ιστού αποτελείται κυρίως από ινίδια κολλαγόνου σε δεσμίδες. Συναντάται στους συνδέσμους των αρθρώσεων και στους τένοντες που συνδέουν τους σκελετικούς μυς με τα οστά. Ο λιπώδης ιστός είναι ένας ειδικός τύπος χαλαρού συνδετικού ιστού, του οποίου τα κύτταρα (λιποκύτταρα) αποθηκεύουν λίπος. II. III. Ο χόνδρινος ιστός είναι στέρεος και συγχρόνως εύκαμπτος. Τα κύτταρά του, οι χονδροβλάστες, βρίσκονται μέσα σε κοιλότητες της μεσοκυττάριας ουσίας. Ο ιστός αυτός συναντάται στους αρθρικούς χόνδρους, στο πτερύγιο του αυτιού, στους μεσοσπονδύλιους δίσκους κτλ Ο οστίτης ιστός, που συναντάται στα οστά, αποτελείται από εξαιρετικά σκληρή μεσοκυττάρια ουσία, η οποία περιέχει άλατα και ινίδια κολλαγόνου. Μέσα σε κοιλότητές της υπάρχουν τα οστεοκύτταρα. Το αίμα θεωρείται απο πολλούς ερευνητές ως ιδιαίτερος τύπος συνδετικού ιστού, που αποτελείται απο τρία είδη κυττάρων: τα ερυθρά αιμοσφαίρια (που μεταφέρουν οξυγόνο), τα λευκά αιμοπετάλια (που ενισχύουν την άμυνα του αργανισμού), και τα αιμοπετάλια (που συμμετέχουν στην πήξη του αίματος). Η μεσοκυττάρια ουσία στην περίπτωση αυτή είναι υγρή και αποτελεί το πλάσμα του αίματος. 42

43 Σχήμα 7.9 Σχηματική απεικόνιση Συνδετικού, Χόνδρινου και Οστίτη ιστού 6.3 ΜΥΪΚΟΣ ΙΣΤΟΣ Σχήμα 7.10 Σκελετικός μύς Το μυϊκό σύστημα είναι το σύστημα οργάνων που ελέγχει τις κινήσεις του σώματος. Τα όργανα που αποτελούν το μυϊκό σύστημα είναι οι μύες. Οι μύες αποτελούνται από συνδετικό ιστό και από τους τρεις τύπους μυϊκού ιστού, τον σκελετικό, τον καρδιακό 43

44 και τον λείο. Ο μυϊκός ιστός με την σειρά του αποτελείται από μυϊκά κύτταρα, τα οποία διαθέτουν τις μηχανικές ιδιότητες της διεγερσιμότητας, της συσταλτικότητας, της διατασιμότητας και της ελαστικότητας. Οι σκελετικοί μύες αποτελούν το 40% της μάζας του σώματος. Είναι τα όργανα που κατευθύνουν τα οστά και είναι υπεύθυνοι για την κίνηση και την στάση. Συνδέονται με τα οστά με τους τένοντες. Αποτελούνται από μυϊκές ίνες που περιβάλλονται από ένα κάλυμμα συνδετικού ιστού, που ονομάζεται ενδομύκιο. Οι μυϊκές ίνες σχηματίζονται από μυϊκά κύτταρα τα οποία είναι πολυπύρηνα κύτταρα εξειδικευμένα στην μυϊκή συστολή. Χαρακτηριστικό τους στοιχείο είναι ότι εμφανίζουν εναλλασσόμενες φωτεινές και σκοτεινές ραβδώσεις. Η χαρακτηριστική αυτή εμφάνιση οφείλεται στις ινώδεις πρωτεΐνες που περιέχονται στο μυϊκό κύτταρο. Τα μυϊκά ινίδια των μυϊκών κυττάρων αποτελούνται από συνδυασμό των πρωτεϊνών μυοσίνη και ακτίνη. Η μυϊκή σύσπαση είναι αποτέλεσμα της ολίσθησης των νημάτων ακτίνης πάνω στα νημάτια μυοσίνης. Ο έλεγχος της σύσπασης γίνεται με ειδικές πρωτεΐνες του μυικού κυττάρου, όπως είναι η τροπομυοσίνη και η τροπονίνη. Οι σκελετικοί μύες πραγματοποιούν μία σειρά από διαφορετικές λειτουργίες. Κάποιοι σκελετικοί μύες είναι υπεύθυνοι για την διατήρηση της στάσης, άλλοι για την αντοχή και άλλοι για την δύναμη και την ταχύτητα. Γι' αυτό τον λόγο έχουν δημιουργηθεί εξειδικευμένοι τύποι μυϊκών ινών, προσαρμοσμένοι σε συγκεκριμένες λειτουργίες. Οι μυϊκές ίνες διακρίνονται σε ερυθρές ή οξειδωτικές και λευκές ή γλυκολυτικές. Η κύρια διαφορά τους είναι ο μηχανισμός στον οποίο στηρίζονται για την παραγωγή ATP. Οι ερυθρές στηρίζονται στον αερόβιο μηχανισμό και οι λευκές στον αναερόβιο. Επίσης, χωρίζονται σε γρήγορες ή φασικές και αργές ή τονικές. Οι περισσότεροι μύες του σώματος περιέχουν συνδυασμούς αυτών των μυϊκών ινών. Ο λείος μυς ελέγχει τις ακούσιες κινήσεις. Ο μηχανισμός του ελέγχεται από το αυτόνομο νευρικό σύστημα. Ο λείος μυικός ιστός βρίσκεται στα τοιχώματα των σπλαχνικών οργάνων και είναι τοποθετημένος σε στοιβάδες. Τα λεία μυικά κύτταρα σχηματίζουν διαφορετικές ίνες από τα σκελετικά. Η σύσπαση στον λείο μυ πραγματοποιείται με μία αύξηση στην συγκέντρωση του ενδοκυτταρικού ασβεστίου. Ο καρδιακός μυς συναντάται στην καρδιά και ελέγχει τις συσπάσεις της. Είναι υπεύθυνος για ακούσιες κινήσεις όπως και ο λείος μυς, και επομένως ελέγχεται από το αυτόνομο νευρικό σύστημα. Μοιάζει όμως αρκετά στην δομή με τον σκελετικό μυ. Τα καρδιακά μυικά κύτταρα είναι και αυτά γραμμωτά αποτελούμενα από ινίδια ακτίνης και μυοσίνης, όμως είναι πολύ μικρότερα, αποτελούνται μόνο από έναν πυρήνα και είναι στενά συνδεδεμένα. Μυϊκή συστολή ονομάζεται η ιδιότητα των μυών να συστέλλονται μετά από κάποιο ερέθισμα του νευρικού συστήματος και να κινούν τα διάφορα μέρη του σώματος. Η συστολή οφείλεται στην αλληλεπίδραση ακτίνης και μυοσίνης στα σαρκομερίδια, τα οποία αποτελούν ένα μυϊκό ινίδιο. Κατά τη διάρκεια της μυϊκής συστολής τα ινίδια ακτίνης ολισθαίνουν πάνω στα ινίδια μυοσίνης. Τα στοιχεία συστολής ενός μυ είναι τα μυϊκά ινίδια, τα οποία καταλαμβάνουν το κύριο όγκο του κυτταροπλάσματος ενός μυϊκού κυττάρου. Τα σαρκομερίδια είναι συγκροτήματα με υψηλή οργάνωση που αποτελούνται από δύο είδη ινιδίων, των ινιδίων ακτίνης και των ινιδίων της ειδικής μυοσίνης ΙΙ. Τα ινίδια μυοσίνης είναι τοποθετημένα στο κέντρο κάθε σαρκομεριδίου, ενώ τα λεπτότερα ινίδια ακτίνης εκτείνονται προς τα μέσα από τα άκρα του σαρκομεριδίου όπου αγκυροβολούν σ μία 44

45 δομή γνωστή ως δίσκος Ζ και επικαλύπτουν τα άκρα των ινιδίων μυοσίνης. Η μυϊκή συστολή οφείλεται στη ταυτόχρονη βράχυνση όλων των σαρκομεριδίων, η οποία προκαλείται από την ολίσθηση των ινιδίων ακτίνης πάνω στα ινίδια μυοσινής που προεξέχουν, χωρίς μεταβολή του μήκους των δύο ινιδίων. Η ολίσθηση προκαλείται από τις κεφαλές μυοσίνης που εξέχουν στο πλάι του ινιδίου και αλληλοεπιδρούν με γειτονικά ινίδια ακτίνης. Όταν ένας μυς διεγείρεται οι κεφαλές «περπατούν» κατά μήκος των ινιδίων ακτίνης με συνδυασμένους κύκλους προσκόλλησης και αποκόλλησης χάρης στην υδρόλυση του ATP, που αλλάζει τη στερεοδιάταξη των κεφαλών της μυοσίνης. Η συνδυασμένη αυτή δράση προκαλεί τη συστολή του σαρκομεριδίου. Μετά την ολοκλήρωση της συστολής, οι κεφαλές της μυοσίνης χάνουν τελείως επαφή με τα ινίδια ακτίνης και ο μυς χαλαρώνει. Κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου προσκόλλησης και αποκόλλησης, μια κεφαλή προσδένει και υδρολύει ένα μόριο ATP. Θεωρείται ότι αυτό προκαλεί μια σειρά αλλαγών στη διαμόρφωση του μορίου της μυοσίνης που μετακινούν τη κεφαλή της μυοσίνης κατά μήκος του ινιδίου ακτίνης προς το συν άκρο κατά 5 νανόμετρα περίπου. Αυτή η κίνηση επαναλαμβάνεται κατά μία κατεύθυνση κατά μήκος του ινιδίου. Με αυτό τον τρόπο οι κεφαλές έλκουν το ινίδιο ακτίνης και προκαλούν ολίσθησή του πάνω στο ινίδιο μυοσίνης. Κάθε ινίδιο μυοσίνης έχει περίπου 300 κεφαλές μυοσίνης και μπορεί να πραγματοποιεί πέντε κύκλους το δευτερόλεπτο, η δε ταχύτητα ολίσθησης είναι 15 μικρόμετρα το δευτερόλεπτο, ταχύτητα επαρκής για τη μετάπτωση του σαρκομεριδίου από τη πλήρη χαλάση (3μm) μέχρι τη πλήρη συστολή (2μm) σε χρόνο μικρότερο από ένα δέκατο του δευτερολέπτου. Στην αρχή του κύκλου μία κεφαλή μυοσίνης, χωρίς προσδεμένο νουκλεοτίδιο, είναι προσκολλημένη ισχυρά σε ένα νημάτιο ακτίνης σε μία άκαμπτη διαμόρφωση (ονομάζεται έτσι γιατί είναι υπεύθυνη για την μεταθανάτια ακαμψία). Αυτή η κατάσταση λήγει αμέσως με την προσθήκη ΑΤΡ. Το μόριο ΑΤΡ προσδένεται στην ευρεία σχισμή στη κεφαλή και προκαλεί αμέσως μια μικρή αλλαγή στη διαμόρφωση της κεφαλής με αποτέλεσμα να μειώνεται η συγγένεια της κεφαλής με την ακτίνη και της επιτρέπει να κινηθεί κατά μήκος του ινιδίου. Η σχισμή κλείνει γύρω από το ΑΤΡ, προκαλώντας μια μεγάλη αλλαγή σχήματος με αποτέλεσμα η κεφαλή να μετακινηθεί κατά 5 νανόμετρα. Το ΑΤΡ υδρολύεται, αλλά το ADP και η φωσφορική ομάδα που παράγονται παραμένουν συνδεμένα στη μυοσίνη. Η ασθενής πρόσδεση της κεφαλής στην ακτίνη προκαλεί την απελευθέρωση της φωσφορικής ομάδας και ταυτόχρονα η κεφαλή προσδένεται γερά στο ινίδιο ακτίνης. Η απελευθέρωση πυροδοτεί μια ισχυρή ώθηση και η κεφαλή επιστρέφει στην αρχική της κατάσταση. Ταυτόχρονα, το ADP απομακρύνεται από τη μυοσίνη. Η αλληλεπίδραση μεταξύ ινιδίων μυοσίνης και ακτίνης ενεργοποιείται όταν το μυϊκό κύτταρο δεχτεί ένα κατάλληλο σήμα από το νευρικό σύστημα. Το σήμα πυροδοτεί ένα δυναμικό ενέργειας στην κυτταρική μεμβράνη του κυττάρου. Αυτή η ηλεκτρική διέγερση διαδίδεται κατά μήκος μιας σειράς μεμβρανικών σωλήνων, τα εγκάρσια σωληνάρια, και το σήμα μεταφέρεται στο σαρκοπλασματικό δίκτυο, το οποίο περιέχει υψηλή συγκέντρωση ασβεστίου. Σαν αντίδραση στην εισερχόμενη ηλεκτρική διέγερση, μεγάλο ποσό Ca+2 απελευθερώνεται στο κυτταροδιάλυμα μέσω ιοντικών διαύλων της μεμβράνης του σαρκοπλασματικού 45

46 δικτύου που ανοίγουν εξαιτίας της ηλεκτρικής διέγερσης. Το ιόν του ασβεστίου αλληλοεπιδρά με εξειδικευμένες πρωτεΐνες που συνδέονται ισχυρά με τα ινίδια ακτίνης. Μια από αυτές τις πρωτεΐνες είναι η τροπομυοσίνη, ένα άκαμπτο ραβδόμορφο πρωτεϊνικό μόριο που προσδένεται στο αυλάκι της έλικας της ακτίνης και δεν την αφήνει να αντιδράσει με τις κεφαλές μυοσίνης. Η άλλη είναι η τροπονίνη, ένα πρωτεϊνικό σύμπλοκο που περιλαμβάνει μια πρωτεΐνη ευαίσθητη στο ασβέστιο, την τροπονίνη C. Όταν αυξηθεί η συγκέντρωση του ασβεστίου στο κυτταροδιάλυμα, το ιόν ασβεστίου προσδένεται στη τροπονίνη και προκαλεί μια αλλαγή στο σχήμα της και έτσι οι κεφαλές μυοσίνης μπορούν να προσδεθούν στο ινίδιο ακτίνης και να αρχίσει η συστολή. Η αύξηση του Ca+2 στο κυτταροδιάλυμα σταματά αμέσως μετά τη διακοπή του νευρικού σήματος, επειδή το ιόν του ασβεστίου αντλείται γρήγορα πίσω στο σαρκοπλασματικό δίκτυο. Μόλις η συγκέντρωση ασβεστίου επανέλθει σε επίπεδα ηρεμίας, η τροπονίνη και η τροπομυοσίνη επιστρέφουν στις αρχικές τους θέσεις και σταματούν τη συστολή. 7.4 ΝΕΥΡΙΚΟΣ ΙΣΤΟΣ Σχήμα 7.11 Τα είδη του μυϊκού ιστού Σχήμα 7.12 Τα βασικά μέρη του νευρικού ιστού Ο νευρικός ιστός αποτελεί την βάση του νευρικού συστήματος, το οποίο αποτελεί το σύστημα επικοινωνίας του σώματος. Αποτελείται από κύτταρα που αντιδρούν σε ερεθίσματα και μεταβιβάζουν μηνύματα με τη μεταφορά ηλεκτρικών σημάτων. Ο νευρικός ιστός αποτελείται από δύο τύπους κυττάρων, τους νευρώνες, που παράγουν και μεταφέρουν νευρικές ώσεις μέσα στον οργανισμό, και τα νευρογλοιακά κύτταρα, που τρέφουν, μονώνουν και στηρίζουν τους νευρώνες. Χάρη στα κύτταρα αυτά, ο οργανισμός έχει την ικανότητα να 46

47 αντιλαμβάνεται τις μεταβολές του εξωτερικού και του εσωτερικού περιβάλλοντος, να τις επεξεργάζεται και να αντιδρά, δίνοντας εντολές με τις οποίες ελέγχονται και συντονίζονται οι διάφορες λειτουργίες του. Με τον τρόπο αυτό ο οργανισμός μπορεί να προσαρμόζεται στο εξωτερικό περιβάλλον, διατηρώντας παράλληλα σε ισορροπία το εξωτερικό του περιβάλλον, εξασφαλίζοντας έτσι την επιβίωση του. Το νευρικό σύστημα αποτελεί το σύστημα που ρυθμίζει και ελέγχει την λειτουργία όλων των οργάνων του ανθρωπίνου σώματος, καθώς επίσης και την μεταξύ τους αρμονική συνεργασία. Αποτελεί επίσης την έδρα των ψυχικών λειτουργιών και επιπλέον μέσω των αισθητήριων οργάνων (μάτι, αυτί, δέρμα, γλώσσα, μύτη) συμβάλλει στην αντίληψη του περιβάλλοντος από τον άνθρωπο. Αποτελείται κυρίως από εξειδικευμένα κύτταρα, τους νευρώνες, των οποίων η λειτουργία είναι να υποδέχονται αισθητικά ερεθίσματα και να τα μεταφέρουν στα εκτελεστικά όργανα, δηλαδή τους μυς και τους αδένες. Στους μονοκύτταρους οργανισμούς (Πρωτόζωα) η υποδοχή των ερεθισμάτων από το εξωτερικό περιβάλλον, η μεταβίβασή τους και η απάντηση σε αυτά γίνεται μέσω του κυτταροπλάσματος. Στους πολυκύτταρους οργανισμούς εξελίχτηκαν εξειδικευμένα κύτταρα, τα νευρικά, για την επιτέλεση αυτών των διαδικασιών. Τα νευρικά κύτταρα, ανάλογα με την πολυπλοκότητα του οργανισμού, διατάσσονται κατάλληλα σχηματίζοντας ένα ενιαίο λειτουργικό σύστημα, το νευρικό, η τελειότερη μορφή του οποίου απαντάται στα Θηλαστικά και, ιδίως, στον Άνθρωπο. Τα πρώτα ίχνη νευρικού συστήματος εμφανίζονται στα Κοιλεντερωτά στα οποία τα νευρικά κύτταρα οργανώνονται με τέτοιον τρόπο ώστε τα διάφορα εξωτερικά ερεθίσματα να καθορίζουν τις κινήσεις των μυών τους. Η πρώτη ένδειξη ύπαρξης κεντρικού νευρικού συστήματος εμφανίζεται στους Σκώληκες, στους οποίους υπάρχει ένα ζεύγος ομάδων από οργανωμένα νευρικά κύτταρα που συντονίζουν την λειτουργία των υπολοίπων. Τα Σπονδυλωτά διαθέτουν κεντρικό νευρικό σύστημα με την μορφή του νωτιαίου μυελού, το κεφαλικό άκρο του οποίου εξελίχθηκε στα ανώτερα σπονδυλωτά σε εγκέφαλο, καθιστώντας έτσι το νευρικό σύστημα ικανό για πολυπλοκότερες λειτουργίες όπως τις ψυχικές και πνευματικές. Το ανθρώπινο νευρικό σύστημα διαιρείται σε δύο μεγάλα τμήματα, το καθένα από τα οποία διαιρείται σε επιμέρους τμήματα: Το Κεντρικό Νευρικό Σύστημα Αποτελείται από τον εγκέφαλο και τον νωτιαίο μυελό, οι οποίοι προστατεύονται από το κρανίο και τη σπονδυλική στήλη αντίστοιχα και αποτελούν τα κύρια κέντρα όπου γίνεται η διαπλοκή, η συσχέτιση και η ολοκλήρωση των νευρικών πληροφοριών. Ο εγκέφαλος βρίσκεται μέσα στην κρανιακή κοιλότητα. Έχει βάρος γραμμάρια στον άνδρα και στην γυναίκα. Η εμβρυολογική του καταγωγή είναι από το κεφαλικό άκρο του μυελικού σωλήνα το οποίο χωρίζεται με περισφίξεις, αρχικά μεν σε τρία ανευρύσματα που είναι το πρόσθιο, το μέσο, και το οπίσθιο εγκεφαλικό κυστίδιο. Τελικά δε σε πέντε με διαίρεση του προσθίου σε τελικό και διάμεσο και του οπίσθιου σε οπίσθιο και έσχατο. Από τα πέντε αυτά εγκεφαλικά κυστίδια διαπλάθονται τα πέντε τμήματα του εγκεφάλου που είναι ο τελικός εγκέφαλος με τα δύο ημισφαίρια, ο διάμεσος εγκέφαλος με τους οπτικούς θαλάμους, ο μέσος εγκέφαλος με το τετράδυμο και τα 47

48 εγκεφαλικά σκέλη, ο οπίσθιος εγκέφαλος με τη γέφυρα και την παρεγκεφαλίδα και τέλος με τον έσχατο εγκέφαλο με τον προμήκη μυελό. Η διαίρεση του εγκεφάλου χωρίζεται σε τρία μέρη τα δύο ημισφαίρια, το στέλεχος και την παρεγκεφαλίδα. Ο τελικός εγκέφαλος αποτελείται από τα δύο ημισφαίρια τα οποία χωρίζονται με την επιμήκη σχισμή του εγκεφάλου και από την παρεγκεφαλίδα με την εγκάρσια σχισμή. Τα ημισφαίρια συνδέονται μεταξύ τους με συνδέσμους και σχηματίζουν στο εσωτερικό τους μια κοιλότητα που ονομάζεται πλάγια κοιλία. Σε κάθε ημισφαίριο διακρίνουμε τρεις επιφάνειες την έξω, την έσω, και την κάτω επίσης και τρία χείλη, τα άνω, τα έξω, και τα έσω. Τρεις πόλους που είναι ο μετωπιαίος, ο ινιακός και ο κροταφικός. Ο ρινικός εγκέφαλος αποτελείται από μια κεντρική μοίρα που φέρεται γύρω από το μεσολόβιο και μια περιφερική. Η κεντρική μοίρα σχηματίζει δύο ομόκεντρες έλικες γύρω από το μεσολόβιο εκ των οποίων η έξω ονομάζεται ψαλιδωτή ενώ η έσω έχει ιδιαίτερα ατροφήσει στον άνθρωπο και βρίσκεται διασπασμένη σε πολλές μικρές έλικες. Αποτελείται από τα εγκεφαλικά και τα νωτιαία νεύρα με τα νευρικά γάγγλιά τους. Υποδιαιρείται περαιτέρω στο απαγωγό τμήμα (οι νευρώνες του απάγουν σήματα από τον εγκέφαλο και το νωτιαίο μυελό προς τους περιφερικούς ιστούς) και στο αυτόνομο Νευρικό Σύστημα που λειτουργεί ακούσια και ρυθμίζει τις καθημερινές ανάγκες χωρίς τη συνειδητή συμμετοχή του νου. Σχήμα 7.13 Απεικόνιση των τμημάτων του νευρικού ιστού Το αυτόνομο νευρικό σύστημα ελέγχει όργανα, ιστούς και αδένες στο σώμα. Διακρίνεται σε: I. Συμπαθητικό σύστημα, το οποίο προετοιμάζει το σώμα για αυξημένες απαιτήσεις ετοιμότητας. 48

49 II. III. IV. Παρασυμπαθητικό σύστημα, που έχει σκοπό την εξοικονόμηση και εναποθήκευση ενέργειας. Σωματικό σύστημα: είναι υπεύθυνο για εκούσιες λειτουργίες. Προσαγωγό τμήμα (οι νευρώνες του προσάγουν πληροφορίες από την περιφέρεια προς το κεντρικό νευρικό). Το νευρικό σύστημα αποτελείται από δύο κατηγορίες κυττάρων, τους νευρώνες και τα νευρογλοιακά κύτταρα. Οι νευρώνες είναι τα βασικά κύτταρα του νευρικού συστήματος. Η δομή τους περιλαμβάνει χαρακτηριστικές δομές, τις αποφυάδες που ονομάζονται άξονες και δενδρίτες. Οι νευρώνες διαθέτουν δύο σημαντικές ιδιότητες, την αγωγιμότητα και την διεγερσιμότητα. Μεταδίδουν το ερέθισμα με την μορφή ηλεκτρικών παλμών. Άλλα χαρακτηριστικά τους είναι ότι έχουν πολύ μεγάλο χρόνο ζωής, σταματούν να αυτοδιαιρούνται από την στιγμή που αρχίζουν να λειτουργούν στο νευρικό σύστημα και απαιτούν μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Τα νευρογλοιακά κύτταρα έχουν υποστηρικτικό ρόλο και βοηθούν στην διατήρηση του περιβάλλοντος των νευρώνων. Ο άξονας του νευρώνα συνήθως περιέχει μία χαρακτηριστική ουσία, την μυελίνη, η οποία καθορίζει και την αγωγιμότητά του. Η μυελίνη παίζει ρόλο μονωτή αποτρέποντας την διαρροή ιόντων στην μεμβράνη του άξονα. Υπάρχουν και σημεία που ο νευροάξονας εμφανίζεται γυμνός και αυτά ονομάζονται κόμβοι Ρανβιέ. Οι νευρώνες κατηγοριοποιούνται ανάλογα με τον αριθμό των αποφυάδων τους και ανάλογα με την λειτουργία τους. Έτσι διακρίνονται σε μονοπολικούς, πολυπολικούς, αισθητικούς, κινητικούς, συνδετικούς. Οι νευρώνες είναι η βάση των αισθητηρίων των οργανισμών. Τα αισθητήρια διαμορφώνουν την αντίληψη ενός οργανισμού για το περιβάλλον του. Οι εξειδικευμένοι νευρώνες που ανιχνεύουν ερεθίσματα από το εξωτερικό περιβάλλον ονομάζονται αισθητικοί υποδοχείς. Χαρακτηριστικό των αισθητικών υποδοχέων είναι ότι είναι ευαίσθητοι μόνο σε συγκεκριμένη κατηγορία ενέργειας και ανερέθιστοι σε άλλες μορφές. 49

50 8. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΤΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ Γενικά τα κύτταρα προκειμένου να διατηρούν τη λειτουργικότητά τους υποχρεώνονται ν' ανταλλάσσουν συνεχώς ουσίες προς το περιβάλλον τους. Η αμφίδρομη αυτή ανταλλαγή (εισαγωγή χρήσιμων ουσιών και αποβολή άχρηστων) γίνεται μέσω της πλασματικής μεμβράνης που αποτελεί και το όριο μεταξύ της έμβιας και της άβιας ύλης. Όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια της πλασματικής μεμβράνης τόσο μεγαλύτερη και η δυνατότητα της ανταλλαγής. Εκτός όμως της ανταλλαγής ουσιών που καλύπτει κυρίως τις μεταβολικές ανάγκες παρατηρείται και ανταλλαγή ουσιών-μηνυμάτων με τα οποία και επικοινωνεί το κύτταρο με το περιβάλλον του και "αντιλαμβάνεται" τις διάφορες μεταβολές. Με βάση τις πληροφορίες των μηνυμάτων αυτών και υπό τον έλεγχο του γενετικού υλικού το κύτταρο εναρμονίζει και τις λειτουργίες των επιμέρους τμημάτων του. Αυτή η μεταβίβαση όμως των μηνυμάτων θα μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο αν το κύτταρο έχει σχετικά μικρό όγκο. Έτσι λοιπόν δικαιολογείται ο μικρός όγκος των κυττάρων με τη μεγαλύτερη δυνατή επιφάνεια (αντίστοιχη του όγκου) προκειμένου να ικανοποιούνται ταυτόχρονα και οι δύο απαραίτητες για την επιβίωσή του κυττάρου προϋποθέσεις που είναι η μεγάλη επιφάνεια γι ανταλλαγές ουσιών και υποδοχής μηνυμάτων και ο μικρός όγκος για την έγκαιρη μεταβίβαση των μηνυμάτων στο ενδοκυτταρικό περιβάλλον. Ως οργανισμός, το κύτταρο διαθέτει την ικανότητα να ζει ακόμη και χωρίς την ύπαρξη άλλων κυττάρων. Η ιδιότητα αυτή προϋποθέτει της ύπαρξης μιας μεταβολικής μηχανής που μπορεί να αντλήσει ενέργεια από το περιβάλλον και να τη χρησιμοποιήσει σε ουσιώδεις βιοχημικές διεργασίες, που περιλαμβάνουν την κίνηση ουσιών, την εκλεκτική μεταφορά μορίων μέσα και έξω από το κύτταρο και την ικανότητα αλλαγής και διαμόρφωσής τους, δηλαδή της προσαρμογής τους στις περιβάλλουσες φυσικές και χημικές συνθήκες. Εκτός από τη μεταβολική μηχανή του το κύτταρο διαθέτει ομάδες γονιδίων που καθορίζουν τη σύνθεση ουσιών και μια διακριτή δομή την κυτταρική ή πλασματική μεμβράνη που τα απομονώνει από το εξωτερικό περιβάλλον. Προκειμένου να είναι βιώσιμο ένα κύτταρο, αρκούν 400 γονίδια ή και λιγότερα, ωστόσο τα περισσότερα κύτταρα περιέχουν αρκετά περισσότερα. Όλα τα κύτταρα παρουσιάζουν τρισδιάστατες δομές που σφύζουν από δραστηριότητα και που λειτουργικά παρουσιάζουν πολλές ομοιότητες αλλά και διαφορές. Κοινές λειτουργίες όλων των ευκαρυωτικών κυττάρων είναι η μεταφορά ουσιών στο εσωτερικό τους, η αλλαγή θέσης των κυτταρικών δομών, όταν αυτό είναι αναγκαίο, καθώς και οι πολύπλοκες βιοχημικές διεργασίες. Υφίστανται, όμως, και λειτουργίες που δεν είναι κοινές, όπως η κίνηση, η αλλαγή σχήματος κτλ., με συνέπεια τα κύτταρα να διακρίνονται σε μεγάλο αριθμό ειδών με ιδιαίτερη χαρακτηριστική μορφή.στον άνθρωπο, για παράδειγμα, εντοπίζονται περί τα 200 διαφορετικά είδη κυττάρων, με καθένα είδος να παρουσιάζει χαρακτηριστική μορφή και λειτουργία. Άλλα, π.χ., είναι επιμήκη με δυνατότητα συστολής, (μυϊκά κύτταρα), άλλα έχουν προεκτάσεις για μεταβιβάσεις 50

51 μηνυμάτων, (νευρικά κύτταρα), άλλα είναι πλατειά με καλυπτήριο ρόλο (επιθηλιακά κύτταρα) κτλ. Προκειμένου, έτσι, σε μια ολοκληρωμένη παρουσίαση των κυττάρων, να ξεπεραστεί η αδυναμία της περιγραφής ενός μόνο κυττάρου κατά σχήμα και λειτουργία, θεσπίστηκε το τυπικό κύτταρο, το οποίο στη πραγματικότητα είναι μεν ανύπαρκτο πλην όμως συγκεντρώνει όλα τα κοινά γνωρίσματα των κυττάρων. Έτσι σε όλα τα συγγράμματα περί κυττάρων γίνεται αναφορά πάντα στο "τυπικό ευκαρυωτικό κύτταρο". Τα ζωντανά κύτταρα αποτελούνται από περιορισμένο αριθμό χημικών στοιχείων. Ιδιαίτερο ρόλο παίζει ο Άνθρακας (C), το Υδρογόνο (H), το Οξυγόνο (Ο), το Άζωτο, ο Φωσφόρος (Ρ) και το Θείο (S), που αποτελούν και το 99% περίπου του βάρους του. Τα χημικά συστατικά του είναι δυνατόν να ταξινομηθούν σε ανόργανα (Νερό (H2O) + μεταλλικά ιόντα) και οργανικά πρωτεΐνες, υδατάνθρακες, λίπη και νουκλεϊκά οξέα. Πρώτος ο Βρετανός Ρόμπερτ Χουκ (Robert Hooke) το 1665 παρατηρώντας με το μικροσκόπιό του λεπτές τομές φελλού διέκρινε κάποιους χώρους που του θύμιζαν κελιά μοναστηριών τους οποίους και ονόμασε (εκ της λατινικής) cellulae (= κελιά). Από τη λέξη αυτή προήλθε ο αγγλικός διεθνής σήμερα όρος cell (σελ = κύτταρο). Σήμερα, όμως, είναι γνωστό πως εκείνα που παρατηρούσε ο Χουκ δεν ήταν ζωντανά κύτταρα αλλά τα υπολείματά τους, τα τοιχώματα των φυτικών κυττάρων, τα οποία παραμένουν ακόμα και όταν τα κύτταρα νεκρωθούν. Σταδιακά, και καθώς το μικροσκόπιο βελτιωνόταν, άρχισαν να παρατηρούνται και τα επιμέρους κυτταρικά οργανίδια. Στην παρατήρηση αυτή βοήθησε σημαντικά η χρήση διαφόρων χρωστικών ουσιών, οι οποίες χρωματίζουν κάθε οργανίδιο επιλεκτικά, αφήνοντας τα υπόλοιπα ανεπηρέαστα. Σημαντική ώθηση στην κυτταρική παρατήρηση έδωσε το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, καθώς όχι μόνον βελτίωσε σημαντικά την μεγέθυνση, αλλά έκανε δυνατή και την τρισδιάστατη παρατήρηση του κυττάρου (μικροσκόπιο σαρώσεως). 51

52 9.ΓΕΝΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗΣ Οι πληροφορίες μπορεί να πάρουν πολλές μορφές. Η επικοινωνία συχνά συνίσταται σε μετατροπή των πληροφοριών απο μία μορφή σε μία άλλη. Για παράδειγμα, όταν τηλεφωνούμε σε έναν φίλο, τα ηχητικά κύματα της φωνής μετατρέπονται σε ηλεκτρικά σήματα που ταξιδεύουν κατά μήκος του τηλεφωνικού καλωδίου. Τα κρίσιμα σημεία της μετάδοσης βρίσκονται εκεί όπου οι πληροφορίες μετατρέπονται απο τη μία μορφή στην άλλη. Τα σήματα που μεταδίδονται ανάμεσα στα κύτταρα είναι πολύ πιο απλά από τα ανθρώπινα μηνύματα. Συνήθως, ένα συγκεκριμένο μόριο παράγεται από ένα κύτταρο, το σηματοδοτικό κύτταρο, και ανιχνεύεται από ένα άλλο κύτταρο, το κύτταρο-στόχος, μέσω μίας πρωτεϊνης που δρα ώς υποδοχέας. Ο υποδοχέας διεκπεραιώνει το πρώτο βήμα σε μία σειρά διεργασιών μεταβίβασης που συμβαίνουν στο κύτταρο-στόχος, όπου το εισερχόμενο εξωκυττάριο σήμα μετατρέπεται σε ενδοκυττάρια σήματα που ρυθμίζουν την κυτταρική συμπεριφορά. Τα σήματα δρουν σε μεγάλη ή μικρή απόσταση. Τα κύτταρα των πολυκύτταρων οργανισμών για να αποστείλουν μηνύματα το ένα στο άλλο χρησιμοποιούν εκατοντάδες είδη εξωκυττάριων μορίων, πρωτεΐνες, πεπτίδια, αμινοξέα, νουκλεοτίδια, στεροειδή, παράγωγα λιπαρών οξέων ή ακόμη και αέρια σε διάλυμα. Ωστόσο, οι βασικοί τρόποι επικοινωνίας είναι πολύ λίγοι. 9.1 ΒΑΣΙΚΟΙ ΤΡΟΠΟΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΚΥΤΤΑΡΩΝ Ο πιο κοινός τρόπος συνίσταται σε μετάδοση του σήματος σε ολόκληρο το σώμα του οργανισμού μέσω της έκκρισής του στην κυκλοφορία του αίματος. Τα σηματοδοτικά μόρια που χρησιμοποιούνται με τον τρόπο αυτό αποκαλούνται ορμόνες. Στα ζώα, τα κύτταρα που παράγουν ορμόνες αναφέρονται ως ενδοκρινή κύτταρα. Για παράδειγμα, ένα μέρος του παγκρέατος είναι ένας ενδοκρινής αδένας που παράγει την ορμόνη ινσουλίνη, η οποία ρυθμίζει την πρόσληψη της γλυκόζης σε όλα τα κύτταρα του σώματος. Λιγότερη κοινή είναι η διεργασία που αποκαλείται παρακρινής σηματοδότηση. Στην περίπτωση αυτή, τα σηματοδοτικά μόρια διαχέονται τοπικά μέσα στον εξωκυττάριο χώρο, παραμένουν όμως κοντά στο κύτταρο το οποίο τα εκκρίνει. Συνεπώς δρούν ως τοπικοί διαμεσολαβητές. Με αυτός τον τρόπο λειτουργούν πολλά από τα σηματοδοτικά μόρια που ρυθμίζουν τη φλεγμονή σε θέσεις λοίμωξης ή τον κυτταρικό πολλαπλασιασμό των κυττάρων 52

53 κατά την επούλωση των τραυμάτων. Ένας τρίτος τρόπος επικοινωνίας είναι η νευρωνική σηματοδότηση. Όπως και στην ορμονική, τα μηνύματα συχνά μεταδίδονται σε μεγάλες αποστάσεις. Ωστόσο, στη νευρωνική σηματοδότηση, τα μηνύματα μεταδίδονται με μεγάλη ταχύτητα διαμέσου ιδιωτικών γραμμών σε συγκεκριμένα κύτταρα. Όπως είδαμε παραπάνω, ο νευροάξονας ενός νευρώνα καταλήγει σε εξειδικευμένες απολήξεις πάνω στα κύτταρα-στόχους, πολύ μακριά απο το σώμα του νευρώνα. Όταν ενεργοποιηθεί από σήματα που προέρχονται απο το περιβάλλον ή από άλλα νευρικά κύτταρα, ο νευρώνας αποστέλλει ηλεκτρικές ώσεις κατά μήκος του νευράξονα του με ταχύτητα έως 100 μέτρα το δευτερόλεπτο. Μόλις φτάσουν στην απόληξη του νευράξονα, τα ενδοκυττάρια ηλεκτρικά σήματα μετατρέπονται σε μία χημική μορφή: κάθε ηλεκτρικός παλμός διεγείρει την απόληξη να εκκρίνει μια ώση ενός χημικού σήματος γνωστού ως νευροδιαβιβαστής. Οι νευροδιαβιβαστές διαχέονται μέσα στο στενό (<100nm) συναπτικό χάσμα που παρεμβάλλεται ανάμεσα στη μεμβράνη της απόληξης του νευράξονα και στη μεμβράνη του κυττάρου-στόχου σε λιγότερο από ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου. Σχήμα 9.1 Επικοινωνία νευρικού και μυϊκού ιστού Μία τέταρτη μορφή κυτταρικής επικοινωνίας, η πλέον μύχια και βραχείας διάρκειας απο τις υπόλοιπες, δεν προϋποθέτει απελευθέρωση ενός εκκρινόμενου μορίου. Αντίθετα, τα κύτταρα έρχονται σε άμεση επαφή μέσω σηματοδοτικών μορίων της κυτταρικής μεμβράνης τους. Το μήνυμα μεταδίδεται από την πρόσδεση ενός σηματοδοτικού κυττάρου, σε ένα μόριο υποδοχέα που είναι ενσωματωμένο στην κυτταρική μεμβράνη του κυττάρου-στόχου. Κατά την εμβρυϊκή ανάπτυξη, αυτή η σηματοδότηση που εξαρτάται από επαφή, παίζει σημαντικό ρόλο σε ιστούς όπου γειτονικά κύτταρα που στην αρχή είναι παρόμοια, πρέπει να διαφοροποιηθούν. 9.2 ΕΞΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΚΥΤΤΑΡΩΝ Ένα συνηθισμένο κύτταρο ενός πολυκύτταρου οργανισμού εκτίθεται σε εκατοντάδες διαφορετικά σήματα στο περιβάλλον του. Τα σήματα αυτά μπορεί να βρίσκονται ελεύθερα στο εξωκυττάριο υγρό, να συνάπτονται στο εξωκυττάριο στρώμα ή να είναι συνδεδεμένα στην επιφάνεια των γειτονικών κυττάρων. Το κύτταρο πρέπει να απαντά επιλεκτικά σε ένα τέτοιο μείγμα σημάτων, αγνοώντας ορισμένα και απαντώντας σε αυτά που το αφορούν 53

54 σύμφωνα με την εξειδικευμένη λειτουργία του. Ένα κύτταρο, για να αντιδράσει με ένα σηματοδοτικό μόριο, πρέπει πρώτα να διαθέτει έναν υποδοχέα γι' αυτό το μόριο. Χωρίς υποδοχέα, το κύτταρο δεν θα εκδηλώσει καμία απάντηση στο συγκεκριμένο σήμα. Το κύτταρο περιορίζει τον αριθμό των σημάτων που μπορεί να το επηρεάσουν με την παραγωγή μόνο μιας περιορισμένης ομάδας υποδοχέων από τις χιλιάδες δυαντούς υποδοχείς. Ωστόσο, ακόμα και αυτό το περιορισμένο φάσμα σημάτων μπορεί να ελέγξει τη συμπεριφορά του κυττάρου με πολύπλοκο τρόπο. Η πολυπλοκότητα απαντάται σε δύο είδη. Πρώτον, η πρόσδεση ενός σήματος σε ένα ορισμένο τύπο πρωτεϊνικού υποδοχέα μπορεί να επιφέρει πολλές και ποίκιλες επιδράσεις στο κύτταρο-στόχος, επηρεάζοντας το σχήμα, την κίνηση, το μεταβολισμό ή την έκφραση γονιδίων. Το σήμα απο έναν υποδοχέα της κυτταρικής επιφάνειας γενικά μεταβιβάζεται στο εσωτερικό του κυττάρου μέσω μιας ομάδας άλλων ενδοκυττάριων συστατικών που επιφέρουν γενικευμένες μεταβολές. Το ενδοκυττάριο σύστημα μεταβίβασης και οι ενδοκυττάριοι στόχοι του ποικίλουν ανάλογα με το είδος του κυττάρου. Έτσι διαφορετικά κύτταρα απαντούν στο ίδιο σήμα με διαφορετικό τρόπο. Χαρακτηριστικά, όταν ένα καρδιακό μυϊκό κύτταρο εκτεθεί σε συγκεκριμένο νευροδιαβιβαστή, θα ελαττώσει τη συχνότητα των συστολών του, ενώ όταν στο ίδιο σήμα εκτεθεί ένας σιελογόνος αδένας θα εκκρίνει διάφορα συστατικά του σιέλου. Αυτές οι απαντήσεις συμβαίνουν γρήγορα, σε δευτερόλεπτα ή λεπτά της ώρας, επειδή το σήμα επηρεάζει τη δράση πρωτεϊνών και άλλων μορίων που προϋπήρχαν μέσα στα κύτταρα. Συμπερασματικά, το ίδιο σηματοδοτικό μόριο μπορεί να χρησιμοποιείται και στους 3 τρόπους σηματοδότησης με ίδιο ή άλλου τύπου υποδοχέα. Επίσης για το ίδιο σήμα, σε διαφορετικούς τύπους κυττάρων, οδηγούν σε διαφορετικές αποκρίσεις. Το δεύτερο είδος πολυπλοκότητας προκύπτει επειδή ένα συνηθισμένο κύτταρο διαθέτει ολόκληρη συλλογή από διαφορετικούς υποδοχείς. Οι υποδοχείς αυτοί επαρκούν για να καταστήσουν το κύτταρο ευαίσθητο σε πολλά εξωκυττάρια σήματα ταυτοχρόνως. Τα σήματα αυτά, δρώντας από κοινού, μπορεί να προκαλέσουν απαντήσεις που υπερβαίνουν το απλό άθροισμα των επιδράσεων που θα είχε το κάθε σήμα αν δρούσε χωριστά. Επομένως, ένας συνδυασμός σημάτων μπορεί απλώς να βοηθήσει ένα κύτταρο να επιβιώσει, ένας άλλος να το ωθήσει να διαφοροποιηθεί με κάποιον εξειδικευμένο τρόπο και ένας άλλος να το εξαναγκάσει να διαιρεθεί. Από την άλλη, όταν δεν υπάρχει κανένα σήμα, το κύτταρο μπορεί να προγραμματιστεί για να πεθάνει. 54

55 Σχήμα 9.2 Συνδυασμοί και ρόλοι σημάτων στα κύτταρα 55

56 ΜΕΡΟΣ Β 10. ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ 10.1 ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ Η κλασσική ηλεκτρική διαφορά δυναμικού δημιουργείται από την κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα σε έναν αγωγό. Αντιθέτως, η διαφορά δυναμικού που αναπτύσσεται στη μεμβράνη του κυττάρου οφείλεται στις διαφορετικές συγκεντρώσεις ιόντων που βρίσκονται εκατέρωθεν της μεμβράνης. Σε κατάσταση ισορροπίας το εσωτερικό εμφανίζεται αρνητικό και το εξωτερικό θετικό. Τα ιόντα που διαμορφώνουν το διαμεμβρανικό δυναμικό είναι κατά κύριο λόγο τα ιόντα Na+, K+, Cl-. Βιολογικό ρόλο έχουν και τα ιόντα Ca+2, τα οποία όμως σε μια πρώτη προσέγγιση θα μπορούσαν να μη ληφθούν υπόψη, καθώς η συγκέντρωσή τους είναι σχετικά χαμηλή (βλ. πίνακα 1). Σημαντικό ρόλο παίζουν επίσης τα οργανικά ανιόντα που βρίσκονται στο εσωτερικό της μεμβράνης. Οι συγκεντρώσεις αυτές εξαρτώνται από το ph, τη θερμοκρασία και το είδος του κυττάρου. Στον πίνακα 1 έχει θεωρηθεί ότι ισχύουν οι ακόλουθες συνθήκες: θερμοκρασία 25 C, ph =7,2 (μέσα στο κύτταρο) και ph=7,4 (έξω από το κύτταρο) και το κύτταρο είναι μυϊκό. Όπως φαίνεται, στο κυτταρόπλασμα κυριαρχούν τα ιόντα καλίου. Στον εξωκυττάριο χώρο κυριαρχούν τα ιόντα νατρίου και χλωρίου. Στο εσωτερικό υπάρχουν και οργανικά ανιόντα (και μάλιστα σε συγκέντρωση παραπλήσια με το κάλιο), τα οποία προέρχονται κυρίως από πρωτεΐνες ή άλλες ενώσεις (χοληστερίνη, φωσφατιδυλσερίνη). Λαμβάνοντας υπόψη τα πιο πάνω, φαίνεται ότι υπάρχει μια περίσσεια θετικών ιόντων στο εξωτερικό του κυττάρου, γεγονός που δημιουργεί μια διαφορά δυναμικού, με αποτέλεσμα το εσωτερικό να εμφανίζεται αρνητικό. Οι συγκεντρώσεις αυτές των ιόντων καθορίστηκαν από διάφορους μηχανισμούς μεταφοράς με κυριότερους τους εξής: -Διάχυση λόγω διαφοράς συγκέντρωσης -Ροή λόγω διαφοράς ηλεκτρικού δυναμικού -Χημική μεταφορά λόγω αντλίας καλίου-νατρίου Πίνακας 10.1 Συγκέντρωση κυριότερων ιόντων εντός και εκτός του κυττάρου 56

57 10.2 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΤΗΝ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ Διάχυση Η διαφορετική συγκέντρωση μιας ουσίας σε κάποιο χώρο προκαλεί μετακίνηση από το χώρο μεγαλύτερης συγκέντρωσης προς το χώρο μικρότερης συγκέντρωσης και ισχύει ο νόμος του Fick: Σχέση 10.1 όπου Jchem η ροή των σωματιδίων που περνούν μέσα από μια επιφάνεια, D η σταθερά διάχυσης και C η συγκέντρωση των σωματιδίων, ενώ είναι η βαθμίδα (gradient) της συγκέντρωσης ως προς τη διεύθυνση x. Η σταθερά διάχυσης D δίνεται από την σχέση του Einstein: Σχέση 10.2 Όπου k = J/K η σταθερά Boltzmann, T η θερμοκρασία, r η ακτίνα του σωματιδίου (μορίου, ατόμου) και η το ιξώδες. Η σταθερά διάχυσης δίνεται σε [m2/sec]. Μια λοιπόν αρχική διαφορά συγκεντρώσεων θα δημιουργήσει ροή διαμέσου της μεμβράνης (σχήμα 1) από ειδικά κανάλια. Το παραπάνω φαινόμενο λαμβάνει χώρα τόσο για ιόντα όσο και για ουδέτερες ουσίες. Ειδικά σε ότι αφορά στα ιόντα, η αρχική διαφορά συγκεντρώσεων κάποια στιγμή εξισορροπείται λόγω ανάπτυξης ηλεκτρικού πεδίου, το οποίο τείνει να αναιρέσει τη διάχυση. Σχήμα 10.1 Απεικόνιση διαδικασίας διάχυσης σωματιδίων 57

58 Ροή ιόντων Η διαφορετική συγκέντρωση φορτίων σε ένα χώρο δημιουργεί διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού και ηλεκτρικό πεδίο με διεύθυνση από τα θετικά στα αρνητικά. Η ροή των φορτίων δίνεται από το νόμο του Ohm: Σχέση 10.3 όπου Jelec η πυκνότητα ρεύματος, σ η ειδική αγωγιμότητα του μέσου και E το ηλεκτρικό πεδίο. Επειδή, εξ ορισμού, όπου το ηλεκτρικό (βαθμωτό)δυναμικό, θα είναι U Σχέση 10.4 Η εξίσωση 5 έχει παρόμοια μορφή με τον νόμο του Fick (εξίσωση 1). Θεωρώντας ότι η μεμβράνη είναι διαπερατή μόνο σε ένα είδος ιόντος, π.χ. σε K+, επειδή στο εσωτερικό υπάρχει περίσσεια σε κάλιο (πίνακας 1), θα δημιουργηθεί ροή ιόντων προς τα έξω. Στη συνέχεια θα δημιουργηθεί ηλεκτρικό πεδίο με φορά προς τα μέσα που τείνει να αναιρέσει τη ροή καλίου προς τα έξω. Κάποια στιγμή αποκαθίσταται ισορροπία και όσα ιόντα εξέρχονται, άλλα τόσα εισέρχονται. (Σχήμα 10.2). Σχήμα 10.2 Αποκατάσταση ισορροπίας σε μεμβράνη με κανάλια Κ + 58

59 Λαμβάνοντας υπόψη τώρα τα ιόντα Na+, κάποια στιγμή θα αποκατασταθεί η ισορροπία που φαίνεται στο σχήμα 3. Σχήμα 10.3 Αποκατάσταση ισορροπίας σε μεμβράνη με κανάλια Ν + Σχήμα 10.4 Απεικόνιση των χημικών και ηλεκτρικών δυνάμεων που οδηγούν τα ιόντα του καναλιού. Η πραγματικότητα βρίσκεται πιο κοντά στο Σχήμα 10.2 παρά στο Σχήμα 10.3, αφού όπως δείχνουν πειραματικές μετρήσεις, στο δυναμικό ισορροπίας το εσωτερικό του κυττάρου (κυτταρόπλασμα) είναι ηλεκτραρνητικό ως προς το εξωτερικό του (εξωκυττάριο υγρό). Ωστόσο, αν ίσχυε αυτό, τα ιόντα νατρίου θα οδηγούνταν μέσα στο κύτταρο, όχι μόνο λόγω διαφοράς στη συγκέντρωση αλλά και λόγω ηλεκτρικού πεδίου. Η αθρόα ροή ιόντων νατρίου στο εσωτερικό του κυττάρου θα άλλαζε την περίσσεια αρνητικού φορτίου σε αυτό. Παρόλα αυτά, κάτι τέτοιο δεν συμβαίνει. Αν ληφθεί υπόψη η κίνηση των ιόντων χλωρίου (μεμονωμένα) κι επειδή υπάρχει περίσσεια ιόντων έξω από το κύτταρο (πίνακας 1), θα υπάρξει ροή ιόντων προς τα μέσα, η οποία με τη σειρά της θα ενισχύσει το ήδη υπάρχον ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο αντιτίθεται στην είσοδο αρνη- 59

60 τικών ιόντων. Έτσι θα επέλθει και για τα ιόντα χλωρίου ισορροπία όμοια με αυτή των ιόντων καλίου. Σύμφωνα με τα παραπάνω, και σε συνδυασμό με το σχήμα 4, μόνο τα ιόντα νατρίου μπορούν να διαμορφώσουν το δυναμικό της μεμβράνης, αφού στα ιόντα καλίου και χλωρίου επέρχεται ισορροπία και οι συγκεντρώσεις τους δεν αλλάζουν. Αν όμως τα ιόντα νατρίου είναι αυτά που καθορίζουν το δυναμικό, τότε θα γινόταν αθρόα εισροή ιόντων νατρίου κάτι που όπως θα ανέτρεπε την ισορροπία, θα άλλαζε το ηλεκτρικό δυναμικό και τις συγκεντρώσεις. Αυτό δε συμβαίνει, γιατί υπάρχει ένας ακόμη μηχανισμός μεταφοράς ιόντων, η επονομαζόμενη «αντλία νατρίου-καλίου» ή «αντλία καλίου-νατρίου» Αντλία Νa-Κ Η αντλία Νa-Κ είναι στην ουσία μια πρωτεϊνική δομή (ένζυμο), η οποία έχει αποστολή να μεταφέρει ιόντα Νa+ έξω από το κύτταρο και να φέρνει ιόντα Κ+ μέσα στο κύτταρο. Όπως φαίνεται από το σχήμα 5, η αντλία Νa-Κ είναι ένα κανάλι διπλής κατεύθυνσης αλλά επιτρέπει την έξοδο μόνο σε ιόντα Νa και την είσοδο μόνο σε ιόντα Κ. Την ενέργεια για τη λειτουργία αυτή, την εξασφαλίζει από την υδρόλυση της ATP (τριφωσφορικής αδενοσίνης ή τριφωσφαταδενοσίνης): Σχέση 10.5 Έτσι προκύπτει η ADP, ενώ απελευθερώνεται ενέργεια: ΔG =30,5kJ/mol. Για κάθε μόριο ATP που υδρολύεται, αντλούνται 3 Na+ προς τα έξω και 2 Κ+ προς τα μέσα. Το ένζυμο που συγκροτεί την αντλία ονομάζεται Κ-Νa-ΑΤΡάση. Ουσιαστικά η Κ-Νa-ΑΤΡάση και η αντλία ταυτίζονται. Η ταχύτητα λειτουργίας της αντλίας περιλαμβάνει περίπου 2000 κύκλους άντλησης/sec και μεταφορά ιόντα/sec. Όπως δείχνει το σχήμα 5, η αντλία αποτελείται από δύο πρωτεΐνες α και β. Το ένζυμο μπορεί να θεωρηθεί ότι παρουσιάζεται με δύο μορφές: ένδο-μορφή και έξω-μορφή. Η λειτουργία της αντλίας μπορεί να αναλυθεί σε 6 στάδια όπως δείχνει το σχήμα 6. Αρχικά το ένζυμο έχει την ένδο-μορφή, προσλαμβάνει Νa+ και αποβάλλει Κ+. Στη συνέχεια το ένζυμο υφίσταται φωσφορυλίωση, το ATP μετατρέπεται σε ADP και το ένζυμο προσαρτά φωσφορική ρίζα. Η φωσφορυλιωμένη είναι η έξω-μορφή, η οποία είναι υψηλής επιδεκτικότητας σε Κ+. Με αυτή τη μορφή, προσλαμβάνονται K+ και αποβάλλονται τα Na+ που είχαν προσληφθεί από την ένδομορφή. Στη συνέχεια η αποβολή της φωσφορικής ρίζας οδηγεί στην αποφωσφορυλίωση και στην ένδο-μορφή. Η ένδο-μορφή είναι υψηλής επιδεκτικότητας σε Νa+. Έτσι ο κύκλος των διαδοχικών σταδίων ξεκινά και πάλι και η λειτουργία της αντλίας συνεχίζεται. 60

61 Σχήμα 10.5 Δομή της αντλίας Na-K Σχήμα 10.6 Τρόπος λειτουργίας της αντλίας Na-K Οι ποσοτικές σχέσεις που καθορίζουν το ηλεκτρικό δυναμικό κυτταρικής μεμβράνης είναι οι εξισώσεις του Nernst και του Goldmann Εξισώσεις δυναμικού I. Η εξίσωση Nernst προσδιορίζει τη διαφορά δυναμικού εκατέρωθεν της μεμβράνης, για την 61

62 οποία υπάρχει ηλεκτροχημική ισορροπία: Σχέση 10.6 όπου ΔU είναι η διαφορά δυναμικού εκατέρωθεν της μεμβράνης και συγκεκριμένα ΔU= Ui- Uo, με τους δείκτες i και o να σημαίνουν το εσωτερικό και εξωτερικό αντίστοιχα, R = 8,314J/(mol K) η παγκόσμια σταθερά των ιδανικών αερίων, F =96500Cb/gr-ion η σταθερά του Faraday, q =1, Cb το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο, z το σθένος του ιόντος και C η συγκέντρωση αυτού. Για θερμοκρασία περιβάλλοντος 25 C (298K), (η λεγόμενη θερμική τάση). Για θερμοκρασία σώματος 37 C (310K) η τάση αυτή γίνεται 26mV. Η εξίσωση Nernst δίνει το δυναμικό ισορροπίας (ηρεμίας) σε δύο διαλύματα με διαφορετική συγκέντρωση ιόντων και έχει θεμελιώδη σημασία στην ηλεκτροχημεία γενικά. Ειδικά σε ό,τι αφορά στο κύτταρο, τα δύο διαλύματα είναι ο ενδοκυττάριος και ο εξωκυττάριος χώρος. Στην εξίσωση Nernst λαμβάνεται υπόψη μόνο ένα είδος ιόντος. Με βάση τα δεδομένα του πίνακα 1, υπολογίζονται τα δυναμικά ισορροπίας σε μια κυτταρική μεμβράνη, λαμβάνοντας υπόψη κάθε φορά ένα είδος ιόντος. Πίνακας 10.2 Δυναμικά ισορροπίας με βάση τις συγκεντρώσεις του Πίνακα 10.1 Η πραγματική τιμή του δυναμικού ισορροπίας στο κύτταρο είναι από -70 ως -90mV. Αυτό δείχνει ότι δεν έχουν όλα τα ιόντα την ίδια συμμετοχή στην διαμόρφωση αυτού του δυναμικού. Φαίνεται να υπάρχει αυξημένη διαπερατότητα σε ιόντα Κ+ αφού το δυναμικό Nernst για το κάλιο είναι περισσότερο κοντά στην πραγματική τιμή. Συνεπώς η εξίσωση Nernst για να καλύψει θεωρητικά το φαινόμενο πρέπει να συμπεριλάβει και τα υπόλοιπα 62

63 ιόντα καθώς και τις διαπερατότητες της μεμβράνης. Αυτό γίνεται με χρήση της εξίσωσης Goldman. II. Εξίσωση Goldman Η εξίσωση Goldman Hodgkin Katz (GHK) προσδιορίζει τη διαφορά δυναμικού εκατέρωθεν της μεμβράνης, για την οποία υπάρχει ηλεκτροχημική ισορροπία παρουσία όλων των τύπων ιόντων, για τα οποία η μεμβράνη μπορεί να είναι διαπερατή: Σχέση 10.7 όπου P k είναι η διαπερατότητα του k ιόντος και C k η αντίστοιχη συγκέντρωσή στο εσωτερικό και το εξωτερικό του κυττάρου (ανάλογα με τον δείκτη i και o ). Αν συνυπάρχουν θετικά και αρνητικά ιόντα, τα αρνητικά ιόντα πρέπει να έχουν στον αριθμητή τις εσωτερικές συγκεντρώσεις και στον παρονομαστή τις εξωτερικές, οπότε για μονοσθενή ιόντα ( z =1) θα είναι Σχέση 10.8 Λαμβάνοντας υπόψη ότι στα κύτταρα τα κυριότερα ιόντα είναι το κάλιο, το νάτριο και το χλώριο τότε η σχέση (8) γίνεται Σχέση 10.9 Τα ιόντα ασβεστίου έχουν z =1, όμως δεν επηρεάζουν τόσο το δυναμικό και μπορούν να μην ληφθούν υπόψη, λόγω της χαμηλής συγκέντρωσής τους σε σχέση με τα υπόλοιπα ιόντα. Στην εξίσωση 8α θα πρέπει να είναι γνωστές οι διαπερατότητες των αντίστοιχων ιόντων. Είναι αναμενόμενο το κάλιο να εμφανίζει την μεγαλύτερη διαπερατότητα αφού το δυναμικό Nernst για τις τυπικές συγκεντρώσεις του σε ένα κύτταρο, είναι κοντά στο πραγματικό δυναμικό. Η διαπερατότητα εκφράζει πόσο εύκολα περνά ένα ιόν τη μεμβράνη και συνήθως μετριέται σε μm/sec. Εξαρτάται από τον συντελεστή διάχυσης D, έναν συντελεστή διαλυτότητας, ενώ είναι αντιστρόφως ανάλογη από το πάχος της 63

64 μεμβράνης: Σχέση Δυναμικό δράσης Όλα τα παραπάνω αφορούσαν το λεγόμενο δυναμικό ισορροπίας κατά το οποίο το κύτταρο αδρανεί. Φεύγοντας από το δυναμικό ισορροπίας τα πρωτεϊνικά κανάλια και η αντλία ATP διαμορφώνουν νέες συγκεντρώσεις και το ηλεκτρικό δυναμικό αλλάζει. Αυτή η αλλαγή ηλεκτρικού δυναμικού συνιστά ένα σήμα το οποίο μπορεί να μεταδοθεί από κύτταρο σε κύτταρο και να οδηγήσει τελικά σε μια συγκεκριμένη λειτουργία, π.χ. την σύσπαση ενός μυός, την εντολή για πολλαπλασιασμό κάποιων κυττάρων, την έκφραση ενός συναισθήματος και γενικά ζωτικών λειτουργιών. Τα ηλεκτρικά σήματα που δημιουργούνται χωρίζονται σε δύο κύριες κατηγορίες: Βαθμωτά δυναμικά Δυναμικά ενέργειας ή Δυναμικά δράσης (ΔΔ) Τα βαθμωτά δυναμικά περιορίζονται σε μικρές αποστάσεις ενώ εξασθενούν σημαντικά μετά από μερικά mm από την εστία τους γι αυτό και δεν έχουν μεγάλη σημασία. Τα δυναμικά δράσης (ΔΔ) παράγονται μόνο από τα νευρικά, τα μυϊκά και ορισμένα κύτταρα αδένων. Διαδίδονται σε μεγάλες αποστάσεις, όπως τα οδεύοντα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, χωρίς εξασθένιση και έχουν μεγάλη σημασία για την μελέτη των κυττάρων. Παρά τις διαφορές τους το βαθμωτό δυναμικό και το δυναμικό δράσης έχουν κάποιες ομοιότητες όπως: Αποκτούν γρήγορα μια μέγιστη τιμή και κατόπιν επανέρχονται στην κατάσταση ισορροπίας, έχουν δηλ. έναν χαρακτήρα «κρουστικό». Έχουν παρόμοιες κυματομορφές με μία φάση πόλωσης, απόκτηση αιχμής, αποπόλωσης και επιστροφής στην ισορροπία. Δημιουργούνται εξαιτίας των ιόντων και των αντίστοιχων καναλιών τους στην κυτταρική μεμβράνη. Το ΔΔ δημιουργείται από ένα ηλεκτρικό ερέθισμα, π.χ. έναν τετραγωνικό παλμό, όπως δείχνει το σχήμα 7. Το ηλεκτρικό ερέθισμα μπορεί να προέρχεται από άλλο κύτταρο, να είναι αποτέλεσμα ροής ιόντων που με τη σειρά της προκλήθηκε από την επίδραση κάποιων χημικών ουσιών (κάποιες πρωτεΐνες) ή μπορεί να είναι ένας τεχνητός εργαστηριακός παλμός. 64

65 Σχήμα 10.7 Δημιουργία ερεθίσματος σε νευρώνα και πρόκληση δυναμικού δράσης Οι παλμοί του ΔΔ ξεκινούν από το δυναμικό ηρεμίας (αρνητικό -60 ή -90mV) και αυξάνουν. Αποκτούν μια μέγιστη τιμή (περί τα +20mV), στη συνέχεια πέφτουν πάλι και αφού υπάρξει μια μικρή επαναπόλωση επανέρχονται στην ηρεμία. Η συνολική τιμή διακύμανσης του ΔΔ από την ηρεμία μέχρι την αιχμή είναι περί τα mV (από -60 ως +40 ή από -90 ως +30). Αν μετρηθεί το δυναμικό έξω από τη μεμβράνη (σχήμα 8, κάτω παλμογράφημα) προκύπτει μια αντίθετη κυματομορφή η οποία όμως είναι της τάξης των μv. Πρόκειται για μια ένδειξη ότι σε κάποια, έστω μικρή, απόσταση από το κύτταρο το δυναμικό στον εξωκυττάριο χώρο μεταβάλλεται και δημιουργούνται κάποια μικρορεύματα ιόντων. Η συνολική διάρκεια του παλμού ΔΔ είναι περίπου 2msec. Σχήμα 10.8 Καταγραφή δυναμικών δράσης στον παλμογάφο 65

66 Σχήμα 10.9 Ανάλυση Δυναμικού Δράσης σε διαδοχικά στάδια σε αντιστοιχία με την λειτουργία των καναλιών Νa-K Το Δυναμικό Δράσης μπορεί να χωριστεί σε ξεχωριστές φάσεις οι οποίες συνδέονται με την αγωγιμότητα των καναλιών νατρίου και καλίου. Καταρχήν θεωρείται ότι το κύτταρο βρίσκεται σε ισορροπία. Επικρατούν συγκεκριμένες συγκεντρώσεις ιόντων εκατέρωθεν της μεμβράνης και στο εσωτερικό το δυναμικό είναι αρνητικό, ενώ τα κανάλια είναι όλα κλειστά. Εφαρμόζεται ένα ηλεκτρικό ερέθισμα στη μεμβράνη, γεγονός που δραστηριοποιεί τα κανάλια νατρίου. Πραγματοποιείται αθρόα εισαγωγή ιόντων νατρίου στο κυτταρόπλασμα, γεγονός που αποπολώνει το κύτταρο και το δυναμικό από αρνητικό γίνεται θετικό (εξαιτίας της περίσσειας σε Νa+). Η διάρκεια της φάσης αυτής είναι κάτι λιγότερο από περίπου 1msec. Στη συνέχεια σταματά η είσοδος νατρίου και δραστηριοποιούνται τα κανάλια καλίου που εκβάλλουν ιόντα προς τα έξω. Έτσι το κύτταρο περνά στην φάση επαναπόλωσης μέχρι που επανέρχεται στη φάση ισορροπίας, όπου και τα δύο κανάλια είναι και πάλι κλειστά. Η συνολική διάρκεια είναι περίπου 2msec. Αυτές οι φάσεις των καναλιών ιόντων φαίνονται στο Σχήμα

67 Σχήμα Ερέθισμα και Δυναμικό Δράσης (καταγραφή παλμογράφου) Στην πραγματικότητα, κατά την ισορροπία δεν είναι όλα τα κανάλια κλειστά. Κυριαρχούν τα κανάλια καλίου τα οποία όμως επιτρέπουν την αμφίδρομη ροή ιόντων μέσα και έξω από το κύτταρο. Θα έλεγε κανείς ότι, αφού εισήλθαν ιόντα νατρίου και εξήλθαν ιόντα καλίου κατά τη δημιουργία του δυναμικού δράσης (ΔΔ), μετά την αποκατάσταση της ισορροπίας οι συγκεντρώσεις δεν θα είναι ίδιες με την αρχική ισορροπία. Κάτι τέτοιο όμως δεν συμβαίνει χάρις στην αντλία Νa-Κ, με την οποία εισέρχονται ξανά K+ και εξέρχονται Na+ με αναλογία 2:3. Θα μπορούσε εδώ να σημειωθεί ότι το ΔΔ δεν εμφανίζεται για οποιαδήποτε εισερχόμενο ρεύμα διέγερσης. Υπάρχει δηλ. μια τιμή κατωφλίου μετά την οποία εμφανίζεται το ΔΔ. Αυτό το κατώφλι είναι περίπου 15mV δηλ. αν το δυναμικό ηρεμίας είναι -70mV, θα πρέπει να υπάρξει ερέθισμα τουλάχιστον -55mV, ώστε να ανοίξουν τα κανάλια νατρίου και να δημιουργηθεί ΔΔ. Αν η διέγερση είναι μικρότερη από το κατώφλι, η προς τα έξω κίνηση ιόντων καλίου, υπερκαλύπτει την είσοδο ιόντων νατρίου και δεν δημιουργείται ΔΔ. Αναπτύσσεται μια διαφορά δυναμικού, η οποία διαρκεί όσο διαρκεί το ερέθισμα, οφείλεται στην αγωγιμότητα της μεμβράνης και δεν συνιστά ΔΔ. Στην περίπτωση αυτή, μόλις το ερέθισμα παύσει η μεμβράνη θα επιστρέψει στην κατάσταση ηρεμίας. Αν το ερέθισμα είναι ικανό να δημιουργήσει ΔΔ και έχει μεγαλύτερη διάρκεια από αυτή του ΔΔ, τότε θα προκληθούν πολλά ΔΔ, όσο διαρκεί το ερέθισμα. Σε περίπτωση που το ερέθισμα είναι πολύ μεγαλύτερο από το κατώφλι, η μέγιστη τιμή του ΔΔ δεν αλλάζει (σχήμα 10). Εκείνο που μπορεί να αλλάξει είναι η συχνότητα των ΔΔ, η οποία όμως έχει και αυτή ένα όριο. Ανάλογα με το είδος του κυττάρου η ανάπαυλα μεταξύ δύο διαδοχικών ΔΔ είναι μερικά msec. Όσο πιο σύντομα είναι δύο ερεθίσματα, τόσο το μέγιστο των ΔΔ μικραίνει και όσο πιο αραιά είναι χρονικά, τόσο το μέγιστο των ΔΔ αποκτά την φυσιολογική του τιμή (Σχήμα 10.11). 67

68 Σχήμα Συσχέτιση Δυναμικού Δράσης και περιοδικότητας παλμών διέγερσης Η μέτρηση, καταγραφή και μελέτη του δυναμικού δράσης (ΔΔ) γίνεται με τη μέθοδο voltage clamp (καθήλωσης της τάσης) κατά Hodgkin & Huxley. Η αντίστοιχη μέθοδος για την καταγραφή του ρεύματος που ρέει από κάθε έκαστο κανάλι ιόντος ονομάζεται patch-clamp (καθήλωση εμβαλώματος) και επινοήθηκε από τους Neher & Sakmann. Με τη μέθοδο patch-clamp γίνεται μέτρηση πολύ μικρών ρευμάτων της τάξης των pa. Βέβαια δεν θα πρέπει να παραγνωρίζεται το γεγονός ότι ένα ρεύμα 4pA συνεπάγεται την κίνηση ενός μεγάλου πλήθους ιόντων ανά sec και συγκεκριμένα 2,5 107 ιόντων ανά sec, δηλ ιόντων ανά msec. Οι πειραματικές μετρήσεις έδειξαν ότι τα κανάλια λειτουργούν με μια ψηφιακή λογική, «όλα ή τίποτα». Σύνθεση 300 μεμονωμένων καταγραφών καναλιών, συγκρινόμενη με παλμογραφήματα voltage clamp ΔΔ, δείχνουν ότι το δυναμικό δράσης θα μπορούσε να είναι αποτέλεσμα αυτής της σύνθεσης καναλιών. Από τις κυματομορφές των ΔΔ και των ρευμάτων των καναλιών προέκυψαν ισοδύναμα κυκλώματα και το κύτταρο μπορεί να μελετηθεί «μακροσκοπικά» με τη χρήση ισοδύναμου κυκλώματος Ισοδύναμο κύκλωμα κυτταρικής μεμβράνης Το κάθε κανάλι κίνησης ενός είδους ιόντος μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι ένας αγωγός με αγωγιμότητα, έστω, όπου η ολική αγωγιμότητα n καναλιών είναι g=n. Οι μετρήσεις 68

69 έχουν δείξει συνήθως μια γραμμική σχέση μεταξύ του ρεύματος ενός καναλιού και του διαμεμβρανικού δυναμικού, συνεπώς μπορεί η g να θεωρηθεί ωμική. Επιπλέον όμως από την εξίσωση Nernst είναι γνωστό ότι υπάρχει μια διαμεμβρανική διαφορά δυναμικού σε κάθε κανάλι που σημαίνει ότι το κανάλι ακόμη και κλειστό εμφανίζει μια διαφορά δυναμικού παρόμοια με αυτή που εμφανίζεται σε μια μη πολωμένη δίοδο. Συνεπώς το κάθε κανάλι ισοδυναμεί με συνδυασμό μιας αγωγιμότητας και μιας πηγής (ΗΕΔ) E. Για να είναι σωστό το κύκλωμα θα πρέπει να ληφθούν και τα τρία είδη ιοντικών καναλιών, δηλ. νατρίου, καλίου και χλωρίου, το καθένα με την αγωγιμότητά του και την πηγή E Nernst που έχει λόγω διαφορετικών συγκεντρώσεων. Επιπλέον πρέπει να ληφθεί υπόψη η αντλία Na-K η οποία είναι στην ουσία μια πηγή ρεύματος. Τέλος θα πρέπει να συμπεριληφθεί και η χωρητικότητα της μεμβράνης Cm η οποία είναι μια επιφάνεια που στα άκρα της σωρεύονται φορτία, ενώ ενδιάμεσα στην εσωτερική λιποστοιβάδα δεν υπάρχουν φορτία. Ένα ισοδύναμο κύκλωμα που περιλαμβάνει όλα τα παραπάνω φαίνεται στο σχήμα 12. Σχήμα Το ισοδύναμο κύκλωμα της μεμβράνης που περιλαμβάνει τα κανάλια νατρίου, χλωρίου και καλίου, την αντλία Na-K και την χωρητικότητα της μεμβράνης. 69

70 ΜΕΡΟΣ Γ 11. ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΜΕΒΡΑΝΗΣ ΜΕ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ 11.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στην ενότητα αυτή θα προσπαθήσουμε να περιγράψουμε την κυτταρική μεμβράνη με ένα μαθηματικό μοντέλο με σκοπό να την προσομοιώσουμε. Για το λόγο αυτόν αρχικά θα εξετάσουμε τις ηλεκτρικές ιδιότητες των μεμβρανών, οι οποίες στην πλειοψηφία τους είναι σταθερές και δεν αλλάζουν κατά τη διάρκεια μετάδοσης των σημάτων. Τα μεγέθη αυτά είναι : η ηλεκτρική χωρητικότητα, η ηλεκτρική αντίσταση (η οποία αλλάζει με την δραστηριότητα του κυττάρου, ενώ στην κατάσταση ηρεμίας έχει σταθερή τιμή) και η ενδοκυτταρική αντίσταση (κατά μήκος του άξονα). I. ΗΛΕΚΤΡΙΚΉ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ Η λιπιδική διπλοστιβάδα έχει μικρό πάχος της τάξεως των 4nm και είναι αδιαπέραστη στα φορτία. Πρακτικά μπορεί να θεωρηθεί ως ένας πυκνωτής πολύ καλά μονωμένος. Γνωρίζουμε ότι η διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού στα άκρα του πυκνωτή θα είναι V=Q/C, όπου Q = φορτίο (Coulomb - C), C = χωρητικότητα (Farad F), V = διαφορά δυναμικού (Volt V) Ωστόσο, αυτό δεν σημαίνει ότι η χωρητικότητα ενός πυκνωτή καθορίζεται από το Q και το V. Στην πραγματικότητα το μονωτικό υλικό, η απόσταση των δύο πλακών και η επιφάνειά τους ορίζει το μέγεθος της χωρητικότητας ενός πυκνωτή. Σε κυτταρικό επίπεδο, το μονωτικό μέσο (δηλαδή τα λιπίδια) των βιολογικών κυτταρικών μεμβρανών και το πάχος τους είναι παρόμοια από κύτταρο σε κύτταρο. Οπότε η χωρητικότητα της μεμβράνης ανά μονάδα επιφάνειας είναι σταθερή και ισούται με 1 μf/cm2. Αυτό σημαίνει επίσης ότι Q/V = σταθερό. 70

71 II. ΙΟΝΤΙΚΑ ΡΕΥΜΑΤΑ Γνωρίζουμε ότι ισχύει ροή φορτίου στο χρόνο = ρεύμα (ΔQ/Δt) = Ic (ρεύμα πυκνωτή) και η μεταβολή της τάσης : ΔV = (Ic * Δt)/C. Συνεπώς ένα ρεύμα που περνάει την μεμβράνη δεν θα την φορτώσει άμεσα, αλλά θα μεταβάλλει το δυναμικό στις δυο πλευρές της σε συνάρτηση της διάρκειας ροή ρεύματος. Εξαρτάται επίσης και απο την ένταση του ρεύματος και τη χωρητικότητα της μεμβράνης ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ Η κυτταρική μεμβράνη των λιπιδίων είναι διαπερατή σε ιόντα. Τα ιόντα αυτά διαπερνούν τη μεμβράνη μέσω διαύλων. Ορίζουμε g = αγωγιμότητα της μεμβράνης. Η αγωγιμότητα υποδεικνύει την ευκολία μετακίνησης των ιόντων διαμέσου της μεμβράνης και εξαρτάται απο τον αριθμό των ανοιχτών διαύλων. Το αντίστροφο της αγωγιμότητας είναι η αντίσταση Rm, η οποία υποδεικνύει τη δυσκολία μετακίνησης των ιόντων. Είναι g = 1/R και R= 1/g. Σχήμα 11.2 Η αντίσταση ενός διαύλου 11.3 ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΑΝΑΛΟΓΟ ΤΗΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ Η μεμβράνη λειτουργεί και ως αντίσταση και ως πυκνωτής. Η αντίσταση και ο πυκνωτής βρίσκονται σε παράλληλη διάταξη. Ισχύει η αρχή διατήρησης του φορτίου, επομένως το ρεύμα που διαπερνά τη μεμβράνη θα μοιραστεί μεταξύ του πυκνωτή και της αντίστασης. Δηλαδή, Im = IR + IC. Το ρεύμα της αντίστασης καθορίζεται απο τον νόμο του Ohm, I = V / R: IR= (Vm(t) - ΔU) / Rm *Vm(t), διότι το δυναμικό της μεμβράνης δεν θα παραμείνει σταθερό στη διάρκεια του χρόνου. 71

72 Σχήμα 11.3 Το ηλεκτρικό ανάλογο της κυτταρικής μεμβράνης Για τις βιολογικές μεμβράνες και διαύλους ρεύμα σημαίνει κίνηση φορτισμένων ιόντων. Το δυναμικό που επηρεάζει την κίνηση των ιόντων, όπως είπαμε, εξαρτάται απο το (ηλεκτρικό) δυναμικό της μεμβράνης Vm και το δυναμικό ισορροπίας, ΔU (δυναμικό λόγω διαφοράς συγκεντρώσεων των ιόντων). Η εξίσωση Goldman-Hodgkin-Katz: Σχέση 11.1 Το ρεύμα που δέν θα περάσει από την αντίσταση θα περάσει απο τον πυκνωτή, θα τον φορτίσει και θα αλλάξει το δυναμικό της μεμβράνης με βάση την εξίσωση: ΔV = (Ic * Δt)/C Τελικά, το αποτέλεσμα θα είναι να αλλάξει το δυναμικό της μεμβράνης σε Vm(t) = Vm + ΔV Άρα σε κάθε χρονική στιγμή t θα μεταβάλλονται τα Vm, IR και Ic. Απο τις προηγούμενες (διαφορικές) εξισώσεις υπολογίζεται η μεταβολή μεμβράνης στο χρόνο ΔVm(t) = ImRm(1-e-t/τ). του δυναμικού της Το τ είναι η χρονική σταθερά της μεμβράνης τ = RmC 72

73 Η χωρητικότητα και η αγωγιμότητα της μεμβράνης επηρεάζουν την απόκριση του δυναμικού της μεμβράνης. Σχήμα 11.3 Διοχέτευση σειράς ρευμάτων σε ένα κύτταρο Σχήμα 11.4 Ο ρυθμός μεταβολής του δυναμικού στην μεμβράνη Παρατηρούμε πώς η ηλεκτρική αντίσταση της μεμβράνης επηρεάζει το μέγεθος της απόκρισης του δυναμικού. ΔVm(t) = ImRm(1-e-t/τ) Όταν το t τίνει στο άπειρο, το e-t/τ γίνεται 0 και το ΔVm = ImRm (η μεγαλύτερη τιμή). Παράλληλα, η χωρητικότητα επιβραδύνει την απόκριση του δυναμικού της μεμβράνης. 73

74 ΔVm(t) = ImRm(1-e-t/τ), όταν t = τ τότε, e-1 = 0.37 και ΔVm = 0.63 ImRm Δηλαδή το 63% τις μέγιστης τιμής. Η χρονική σταθερά της μεμβράνης, (τ = Rm C) δείχνει πόσο γρήγορα θα μεταβληθεί το δυναμικό της μεμβράνης, δηλαδή καθορίζει τη χρονική εξέλιξη του Ποια η σημασία της χρονικής σταθεράς της μεμβράνης ή γιατί μας ενδιαφέρει πρακτικά; Επεξεργασία πληροφορίας στα νευρικά κύτταρα: η χρονική σταθερά θα επηρέασει τη διάρκεια των συναπτικών δυναμικών, ανάλογα με τη συχνότητα εμφάνισης τους, θα επιτραπεί η χρονική άθροιση τους και εκπόλωση της μεμβράνης μέχρι την ουδό για τη δημιουργία δυναμικού ενέργειας 74