ΤΟ ΚΕΝΤΡΙΚΟ ΣΧΕΔΙΟ ΤΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ

Transcript

1 ΑΛΕΚΟΣ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΠΟΥΛΟΣ ΤΟ ΚΕΝΤΡΙΚΟ ΣΧΕΔΙΟ ΤΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο άνθρωπος φθάνει την γνώση του νήματος της ζωής. Όπως κάθε προσπάθεια γνώσης και επίγνωσης, ίσως και στο νήμα της ζωής όπως περιγράφηκε από την επιστήμη να έγιναν μερικά λάθη. Π.χ. η μεταφορά των αμινοξέων στα ριβοσώματα πιθανόν να γίνεται από πρωτεϊνες και όχι από t-rna. Στην θεώρησή μας που αλλάζει μερικώς την θεώρηση του κυττάρου, οι πρωτεϊνες έπαιξαν τον πρώτο ρόλο στην δημιουργία της έμβιας ύλης. Οι πρωτεϊνες κωδικοποίησαν m-rnas σε διαδικασία αντίθετη της μετάφρασής του όπως την γνωρίζουμε μέχρι σήμερα και σε διαδικασία αντίστροφη της μεταγραφής του DNA,το m-rna έγινε η αιτία της δημιουργίας του DNA. Όλες τις βιοχημικές αντιδράσεις συνοδεύει εκπομπή ή απορρόφηση θερμικής ενέργειας η οποία αρχικά παρέχεται με την τροφή με τα σύμπλοκα της γλυκόζης για τους ζωϊκούς οργανισμούς. Τις αντιδράσεις συνοδεύει και χημική ενέργεια που είναι άθροισμα κινητικής και δυναμικής των σωματιδίων που ταλαντώνονται στους διάφορους δεσμούς τους, σαν να είναι μάζες δεμένες με ελατήρια. Οι ταλαντώσεις των φορτισμένων σωματίων προϋποθέτουν επιταχύνσεις και ακτινοβολία ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που συνήθως βρίσκεται στις μικροκυματικές ή υπέρυθρες συχνότητες και στις συνήθεις θερμοκρασίες. Η θερμική ακτινοβολία γίνεται η αιτία μεταφοράς των βιομορίων, φέρει και μεταφέρει σήματα αναγνώρισης, εισόδου των κυστιδίων και συντελεί στην ταλάντωση των σωματίων που αποτελούν αυτά και όλα τα οργανίδια του κυττάρου και επηρεάζει το δυναμικό των βιομορίων και των οργανιδίων και έμμεσα την κατανομή των ιόντων.

2 Η κατάσταση του ph, του ηλεκτρικού δυναμικού που επηρεάζεται από το ph, του μεταβολισμού του κυττάρου και ο κορεσμός των μεμβρανών σε υδρογόνο, όλα αυτά συντελούν άμμεσα ή έμμεσα στον επηρεασμό του ρυθμού της κυτταρικής διαίρεσης και γίνονται παράγοντες ομαλού ή ανώμαλου πολλαπλασιασμού των κυττάρων (π.χ. καρκίνος). Το DNA ρυθμίζει την πρωτεϊνοσύνθεση, αλλά την κατάσταση του DNA επηρεάζει η διαρκής ακτινοβολία η θερμική και ενδοκυτταρική. Κάτω από την επιρροή αυτής της ακτινοβολίας το DNA σταδιακά αποδυναμώνεται στην ικανότητά του για πρωτεϊνοσύνθεση και μειώνεται ο ρυθμός διαίρεσης των κυττάρων του όψιμου οργανισμού. Πρωτεϊνες και ιδίως ένζυμα καταλύουν τις βιοχημικές αντιδράσεις και η κατάσταση του DNA προς πρωτεϊνοσύνθεση επηρεάζει τον μεταβολισμό και τον ρυθμό διαίρεσης των κυττάρων που είναι δείγμα ηλικίας του οργανισμού. Σε μία αντίθετη πορεία της ηλικίας του DNA, υπάρχουν γονίδια που αυξάνουν την μεταγραφή τους και συνθέτουν περισσότερες πρωτεϊνες σε γερασμένα άτομα, όπως είναι οι βιμεντίνες. Το γήρας και ο καρκίνος γίνονται οι δύο ράγες στις ρόδες ενός τραίνου. Στην μία η διαίρεση είναι γρήγορη (καρκίνος) και στην άλλη είναι πιο αργή και επιζητούμε να επηρεάσουμε και τους δύο αυτούς ρυθμούς. Το Κεντρικό Σχέδιο φιλοδοξεί να ανοίξει αυτή την οδό, την οδό όπου ο άνθρωπος θα διαφεντεύσει την μοίρα του: θα ελέγξει τον θάνατο από καρκίνο και θα επιτείνει σε χρόνο τον βίο του. Η ευχή είναι να υπάρχει αλήθεια σε αυτό το σχέδιο και να οδηγήσει την έρευνα.

3 2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΤΟ ΘΕΡΜΟΚΥΜΑ, Η ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΚΑΙ Η ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΥΛΗ Η ΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΥΛΗΣ 1 Θεωρούμε την αύξηση θερμοκρασίας σε υλικό, όταν προσδίδουμε ποσότητα θερμότητας. Τα πράγματα εξετάζονται από την θερμοδυναμική και δεχόμαστε ότι όταν προσδώσουμε θερμότητα ΔQ μονάδων (Joules), αυξάνουμε την θερμότητα κατά ΔΤ βαθμούς Kelvin, όπως: ΔQ= CΔT (1.1) Όπου C είναι ο συντελεστής θερμοχωρητικότητας του υλικού και είναι ανάλογος της μάζας m και η ειδική θερμοχωρητικότητα είναι: c =C/m ή C=cm Είναι προφανές ότι δώσαμε ενέργεια ΔQ στο υλικό το οποίο είχε ήδη ενέργεια Q και αν και ο συντελεστής C είναι εξαρτημένος από το επίπεδο της θερμοκρασίας για μεγάλες μεταβολές της, μπορούμε εύστοχα να πούμε ότι περιγράφει την ιδιότητα των μορίων και των ατόμων του υλικού να δέχονται θερμότητα αναλόγου της μεταβολής της θερμοκρασίας με καλή προσέγγιση και για μικρές μεταβολές. Αυτή η θερμική ενέργεια υποστηρίζουμε ότι είναι άθροισμα δυναμικής και κινητικής ενέργειας ηλεκτρισμένων σωματίων (όπως τα ηλεκτρόνια και ο πυρήνας ή είναι ταλάντωση ατόμων σε πολυατομικά μόρια). Το ηλεκτρόνιο και ο πυρήνας θα είναι σαν μάζες δεμένες με ελατήριο και θα ταλαντώνονται περί το κέντρο μάζας τους. Επίσης και τα μόρια που σχηματίζονται από άτομα είτε με ομοιοπολικούς, είτε με ιοντικούς, είτε με δεσμούς Van der Waals, είναι και αυτά συνασπισμός ατόμων που ταλαντώνονται σαν μάζες δεμένες με ελατήριο περί το κέντρο μάζας των. Έτσι 3 1 «Φυσική» Serway, τόμος ΙΙΙ

4 είτε υπάρχουν περιστροφές των σωματίων περί το κέντρο μάζας, ή μεταφορική κίνηση ή ακτινική ταλάντωση, η θερμική ενέργεια θα είναι πάντα ταλάντωση σωματίων σαν να είναι μάζες δεμένες με ελατήρια και αυτή η ταλάντωση θα προστίθεται στις ανωτέρω κινήσεις. Εάν λοιπόν λοιπόν θέλουμε να προσεγγίσουμε την θερμότητα που έχει ο χρυσός σε 300 Κ για κάθε γραμμοάτομό του και γνωρίζοντας 2 ότι C=25.4 J/mol.C o, έχουμε: Q=CΔT=7620 J/mol. Δεδομένου ότι κάθε γραμμοάτομο περιέχει Ν= 6.022x10 23 κάθε άτομο θα έχει ενέργεια (κατά προσέγγιση): Q A =Q/N =1.26x10 20 J (1.2) άτομα χρυσού τότε το Ο χρυσός έχει 79 πρωτόνια και άλλα τόσα ηλεκτρόνια και 117 νετρόνια. Η ενέργεια (1.2) λοιπόν κατανέμεται μεταξύ των συνδέσεων των 79 ηλεκτρονίων με τον πυρήνα, την ενέργεια των σωματίων του πυρήνα και τις διατομικές ενέργειες. Ακόμη και αν η θερμική αυτή ενέργεια περιέγραφε μόνο μία σύνδεση ηλεκτρονίου με τον πυρήνα και χρησιμοποιώντας την σταθερά του Plank, θα βρίσκαμε θερμική ταλάντωση: ν=q A /h =1.9x10 13 Hertzs. Αυτή είναι μία συχνότητα του υπερύθρου και ορίζουμε ότι οι συχνότητες του υπερύθρου και οι μικροκυματικές ακτινοβολίες (που κυμαίνονται περίπου από 1GHz-100THzs) είναι οι συνήθεις συχνότητες θερμοκυμάτων. Σημειώνεται ότι αφού πέσαμε σε θερμική ακτινοβολία για τον χρυσό ακόμη και αν αυτή αφορούσε ταλάντωση ηλεκτρονίου και πυρήνα και όχι όλων των σωματίων του, πόσο μάλλον θα βρίσκαμε θερμικές ταλαντώσεις για όλα τα σωματίδια και αφού κατανεμίσουμε την ίδια ενέργεια σε όλες τις ταλαντώσεις. Σε πιο μικρή θερμοκρασία από 300Κ θα βρίσκαμε ραδιοφωνικές συχνότητες. Η ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΔΕΣΜΟΥ Η ενέργεια δεσμού του μορίου του υδρογόνου είναι Ε=7.2x10 19 είναι ν=e/h=1x10 15 KJ/mol, ήτοι J για κάθε μόριο και η συχνότητα που αντιστοιχεί στην ενέργεια αυτή Hz. Αυτή η συχνότητα ανήκει στις υπεριώδεις ακτίνες και 2 «Χημικός Δεσμός» Κλούρας-Περλεπές 4

5 αντιστοιχεί σε ταλάντωση του διατομικού μορίου και πιθανό να μοιράζεται αυτή η ενέργεια και σε περιστροφή και μεταφορική κίνηση του μορίου. Στην διατομική ταλάντωση υπερτίθεται η θερμική ταλάντωση και οι δύο ταλαντώσεις τώρα πλέον, θα αντιστοιχούν σε δύο απλές αρμονικές ταλαντώσεις ημιτόνων ή συνημιτόνων που προστίθενται. Αναφέραμε ενδεικτικά τον δεσμό υδρογόνου για να επισημανθεί ότι στην ενέργεια περιστροφής,ταλάντωσης και μεταφορικής κίνησης του διατομικού μορίου, συμπληρώνεται η θερμική ταλάντωση με παράλληλη αύξηση της μεταφορικής κίνησης όταν αυξάνεται η θερμότητα. Η θερμοχωρητικότητα για το μόριο του υδρογόνου με σταθερή πίεση είναι C p = 28.8 J/mol.K και για Τ=300Κ θα είναι Q=1.43x10 20 J ανά μόριο και αν η ενέργεια αυτή αντανακλά αποκλειστικά ταλάντωση των δύο ατόμων, χρησιμοποιώντας την σταθερά του Plank βρίσκουμε ν=2.16x10 13 που είναι στην υπέρυθρη περιοχή (θερμοκύμα). Όμως αυτή η ενέργεια κατανέμεται σε διατομική ταλάντωση των μορίων, σε ενδοατομικές ταλαντώσεις των ηλεκτρονίων και των πυρήνων και σε μεταφορική κίνηση του μορίου. Πάλι η συχνότητα της διατομικής ταλάντωσης είναι θερμική και κατώτερη από όση την υπολογίσαμε ανωτέρω και σημειώνεται ότι οι θερμικές συχνότητες είναι μικρότερες των φωτεινών συχνοτήτων. ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΕΠΙΤΑΧΥΝΟΜΕΝΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ Κάθε επιταχυνόμενο ηλεκτρικό φορτίο εκπέμπει ηλεκτρομαγνητικό κύμα και ένα τέτοιο κύμα θα εκπέμπουν και τα ταλαντωνόμενα φορτία που εξετάσαμε και τα περιστρεφόμενα, αλλά και στην επιτάχυνση μεταφορικής κίνησης. Αν η θερμική ταλάντωση είναι διακτινική για δύο σωματίδια και η δύναμη έλξης θα είναι αντίστροφη του τετραγώνου των ακτίνων των αλληλεπιδρώντων σωμάτων (νόμος του Coulomb). Στην περίπτωση αυτή το φορτίο εκπέμπει ένα ηλεκτρικό πεδίο Ε κάθετο προς τον άξονα ταλάντωσης των σωματίων και αυτό είναι 3 : 1 easin 4 c r E 2 0 όπου e=φορτίο σωματίου, a= επιτάχυνση, c=ταχύτητα φωτός και θ= γωνία διανύσματος επιτάχυνσης και διεύθυνσης που μετρούμε το πεδίο. 3 «Φυσική» Ohanian, τόμοςιι 5

6 Παράλληλα με την εκπομπή του ηλεκτρικού πεδίου, εκπέμπεται και μαγνητικό πεδίο B=E/c και το οποίο είναι κάθετο στο πρώτο. Διαπιστώνουμε ότι την θερμική ταλάντωση που εκτείνεται από ραδιοφωνικές έως υπέρυθρες συχνότητες, προκαλεί η ακτινοβολία επιταχυνομένου φορτίου. Τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια ή τα άτομα που αυτά αποτελούν, ταλαντώνονται θερμικά και ακτινοβολούν θερμικά ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Σε ένα σώμα με θερμική ισορροπία τα σωμάτιά του ακτινοβολούν και απορροφούν τα ακτινοβοληθέντα φωτόνια, ούτως ώστε να μην υπάρχει αξιόλογη απώλεια θερμικής ενέργειας ( συνήθως έχουμε απώλεια ενέργειας από ακτινοβολία). Εξετάσαμε ανόργανη ύλη (υδρογόνο, χρυσό) και θεωρούμε ότι και τα οργανικά μόρια της έμβιας ύλης που αποτελούνται από άτομα της ανόργανης, έχουν δεσμούς όπως του υδρογόνου ή ομοιοπολικούς και ιοντικούς δεσμούς και Van Der Waals, έχουν δε ενέργεια οι δεσμοί και ταλαντώνονται με μία συχνότητα και πιθανόν να περιστρέφονται. Παράλληλα έχουν και θερμότητα και η οποία αντικατοπτρίζεται σε ταλάντωση που υπερτίθεται στις άλλες ταλαντώσεις. Πάντα υπάρχει η ακτινοβολία επιταχυνόμενου φορτίου και τα μόρια ή τα άτομα της ενόργανης ύλης, ανταλλάσσουν και θερμικά φωτόνια και υποστηρίζουμε ότι η απορρόφηση θερμικών φωτονίων υπόκειται σε δεσμεύσεις, όπως: 1) το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο εκπεμπομένων φορτίων υπό κατάλληλες περιστάσεις υπόκειται σε επαλληλία και το σωμάτιο που θα απορροφήσει αυτό το κύμα θα πρέπει να έχει την ιδιοσυχνότητα ταλάντωσης αυτή. Η ιδοσυχνότητα 4 είναι συχνότητα στην οποία μπορεί να διεγερθεί κάποιο υλικό και ένα διαπασών έχει τις δικές του ιδιοσυχνότητες. 2) Η απόσταση των αλληλεπιδρώντων σωματίων είναι ένας παράγοντας που καθορίζει τις ιδιοσυχνότητες αυτές και η σταθερά του ελατηρίου που τα ενώνει ή του συστήματος ελατηρίων των σωματίων, πρέπει να έχει την κατάλληλη τιμή. 4 «Κυματική» Η. Κουγιουμτζόπουλου 6

7 ΠΙΕΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΚΑΙ ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΗ ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα που θα απορροφηθεί ασκεί μία πίεση στο σωμάτιο που το δέχεται και μία πρωτεϊνη π.χ. κάτω από την επίδραση μίας τέτοιας ακτινοβολίας μπορεί να μετακινηθεί (πίεση που ασκεί ομάδα κυμάτων). Από την άλλη πλευρά η θερμική ακτινοβολία θα προκαλέσει διαφορετική κατανομή φορτίου των ηλεκτρισμένων σωμάτων και ομαδικές διαφοροποιήσεις στην κατανομή φορτίου του DNA-RNA, πρωτεϊνών,λιπιδίων κλπ. θα δημιουργήσει ηλεκτρικές έλξεις και μετακίνηση αυτών των μορίων. Είναι πιθανό μία τοπική διαφοροποίηση στην κατανομή φορτίου, να προκαλέσει μετακίνηση ηλεκτρισμένων πρωτεϊνών. Εξετάζουμε δηλαδή τους παράγοντες που μπορούν να καθορίσουν την ενδοκύτωση π.χ. ή την αντιγραφή του DNA ή την μεταγραφή του σε m-rna, ή των άλλων λειτουργιών του κυττάρου. Προσπαθούμε να αυτονομίσουμε το κύτταρο και να μην χρειάζεται η vis vitalis 5 να υπάρχει και να λειτουργεί, όπως παρουσιάζονται οι προϋποθέσεις και οι συνθήκες λειτουργίας του κυττάρου, που υπόκεινται στους νόμους της Φυσικής και Φυσικοχημείας και οι οποίοι εκφράζουν το άϋλο μέρος που είναι επενδεδυμένο στην λειτουργία του κυττάρου. ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΙΙ ΟΞΕΙΔΩΣΗ-ΑΝΑΓΩΓΗ-ΦΩΣΦΩΡΥΛΙΩΣΗ-pH 5 vis vitalis είναι η ζωοποιός δύναμη 7

8 Οξείδωση 6 είναι το φαινόμενο της αλγεβρικής αύξησης του αριθμού οξείδωσης ενός ατόμου ή ιόντος και το αντίθετο στην αναγωγή. Έτσι στις αντιδράσεις: Mg +(1/2)O 2 Mg 2 O 2 C + O 2 C 4 2 O 2 H F 2 H 2 2 F Το οξυγόνο και το φθόριο ανάγεται και το μαγνήσιο,ο άνθρακας και το υδρογόνο οξειδούται (αύξηση ηλεκτρονίων). Οι αντιδράσεις οξειδοαναγωγής που γίνονται με μεγάλη ταχύτητα και συνοδεύονται με έκλυση θερμότητας και φωτός, ονομάζονται αντιδράσεις καύσης και γίνονται πολλές μέσα στο κύτταρο. Έτσι αυτές οι αντιδράσεις προμηθεύουν με θερμότητα το κύτταρο, η οποία αναπληρώνει την απώλεια θερμότητας λόγω ακτινοβολίας (και ήδη έχουμε αναφερθεί στην θερμότητα ανόργανης ύλης). Αντίδραση οξειδοαναγωγής στο κύτταρο είναι και η φωσφορυλίωση. Φωσφορυλιώνονται οι πρωτεϊνες λαμβάνοντας μία φωσφορική ρίζα και εκλύεται θερμότητα. Η οξειδωτική φωσφορυλίωση 7 είναι η αντίδραση σχηματισμού ATP: ADP+Pi ATP+H 2 O Αποδίδεται ποσό ενέργειας ως θερμότητα. Τα φαινόμενα οξειδοαναγωγής του κυττάρου και η απόδοση θερμότητας είναι βασικές λειτουργίες και αποσκοπούν να εξασφαλίσουν την θερμότητα του κυττάρου, να συντελέσουν σε άλλες αντιδράσεις, να διαφοροποιήσουν την κατανομή φορτίου και την κίνηση των μορίων και να εξασφαλίσουν ενέργεια σε φθίνουσες ταλαντώσεις που οφείλονται στο φαινόμενο της τριβής. Τέλος στα διάφορα οργανίδια και περιοχές του κυττάρου υπάρχει διαφορετικό ph που επηρεάζει την βιοχημική λειτουργία και κίνηση. Το ph 8 σε ένα διάλυμα είναι ένας δείκτης συγκέντρωσης ιόντων υδρογόνου και ορίζεται όπως: 6 «Αρχές και Εφαρμογές της Ανοργάνου, Οργανικής και Βιολογικής Χημείας» Garet-Denniston- Topping 7 «Βασική Βιοχημεία» Δημόπουλου-Αντωνοπούλου, «Βιοχημεία», Stryer 8 8 «Αρχές και Εφαρμογές Ανοργάνου, Οργανικής και Βιολογικής Χημείας» 9

9 ph= -log H ) 10 ( Το ph μπορεί να δραστηριοποιήσει βιοχημικές αντιδράσεις όπως της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης όπου παράγονται μόρια ΑΤΡ με αποθηκευμένη μεγάλη ενέργεια. Μπορεί να επηρεάσει την διαπερατότητα των μεμβρανών και να επηρεάσει έτσι έμμεσα τον μεταβολισμό του κυττάρου. ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΙΙΙ

10 Η ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΑΝΑΠΝΟΗ 9 Η ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ Γλυκόλυση είναι η αλληλουχία αντιδράσεων που μετατρέπει την γλυκόζη σε πυροσταφυλικό οξύ με ταυτόχρονη παραγωγή δύο μορίων ΑΤΡ. Είναι η εισαγωγή στον κύκλο του κιτρικού οξέος σε αερόβιους οργανισμούς και της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων (οξειδοαναγωγή). Το πυροσταφυλικό εισέρχεται στα μιτοχόνδρια και οξειδώνεται προς διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Όλες οι ενδιάμεσες ενώσεις από την γλυκόζη έως το πυροσταφυλικό είναι φωσφορυλιωμένες με φωσφορικές ομάδες σαν εστέρες ή ανυδρίτες. Με ειδική πρωτεϊνη μεταφοράς η γλυκόζη εισέρχεται στο κύτταρο και φωσφορυλιώνεται από την ΑΤΡ σχηματίζοντας σ-φωσφορική γλυκόζη με την κατάλυση εξοκινάσης. Για δραστικότητα απαιτείται μαγνήσιο ή μαγγάνιο. Ισομερειώνεται η σ-φωσφορική γλυκόζη προς σ-φωσφορική φρουκτόζη. Μία δεύτερη φωσφορυλίωση ακολουθείται από την ΑΤΡ προς 1.6- διφωσφορική φρουκτόζη, καταλύεται από φωσφοροφρουκτοκινάση. Στο δεύτερο στάδιο γλυκόλυσης διασπάται η 1.6-διφωσφορική φρουκτόζη σε 3-φωσφορική γλυκεραλδεϋδη και φωσφορική διυδροξυακετόνη και καταλύεται από αλδολάση. Η φωσφορική διυδροξυακετόνη με κατάλυση φωσφοτριόζης γίνεται 3-φωσφορική γλυκεραλδεϋδη (τρία μόρια). Έως τώρα καταναλώθηκαν δύο μόρια ΑΤΡ. Με μία αντίδραση που καταλύεται με αφυδρογονάση της 3-φωσφορικής γλυκεραλδεϋδης, μετατρέπεται σε 1.3-διφωσφογλυκερικό (BPG) με οξειδοαναγωγή. Στην αντίδραση αυτή παράγεται φωσφορική ένωση υψηλής ενέργειας (ανυδρίτης φωσφορικού ή καρβοξυλικού οξέος). Πρόκειται για οξείδωση και φωσφορυλίωση του 1.3BPG. Κατόπιν από το υψηλό δυναμικό της φωσφορικής ομάδας του 1.3BPG παράγεται ΑΤΡ. Καταλύεται από κινάση του φωσφογλυκερικού οξέος. Στο σύνολο των αντιδράσεων τα παραγόμενα προϊόντα που καταλύονται από την αφυδρογονάση της 3-φωσφορικής γλυκεραλδεϋδης και την κινάση του φωσφογλυκερικού οξέος, είναι: α) 3-φωσφορική γλυκεραλδεϋδη που οξειδώνεται προς 3-φωσφογλυκερικό και ένα καρβοξυλικό οξύ. 9 «Βιοχημεία»,Stryer, «Βασική Βιοχημεία»,Δημόπουλου-Αντωνοπούλου 10

11 β) Το ΝΑD ανάγεται σε NADH. γ) Σχηματίζεται ΑΤΡ από Pi και ADP. Έπειτα το 3-φωσφορικό μετατρέπεται σε πυροσταφυλικό και παράγεται ένα μόριο ΑΤΡ. Καταλύεται από μουτάση του φωσφογλυκερικού, έπειτα από ενδολάση και τέλος από κινάση πυροσταφυλικού. Ήτοι η γλυκόζη μετατρέπεται σε πυροσταφυλικό όπως: γλυκόζη+2ρi +2ADP+2NAD 2πυροσταφυλικό+2ATP+2NADH+2H + +H 2 O Η φρουκτόζη και η γαλακτόζη που είναι άφθονες, με φωσφορυλίωση παράγουν 1- φωσφορική γλυκόζη που ισομερειώνεται σε σ-φωσφορική γλυκόζη και ακολουθείται ο παραπάνω κύκλος που αναφέρθηκε. Η εξοκινάση, η φωσφοροφρουκτοκινάση και η κινάση του πυροσταφυλικού ρυθμίζουν μη αντιστρεπτές αντιδράσεις (θέσεις ελέγχου). Η φωσφοροφρουκτοκινάση αναστέλλεται από ιόντα υδρογόνου και υψηλή συγκέντωση ΑΤΡ. Όταν ο λόγος ΑΤΡ/ΑΜΡ είναι χαμηλός (μειωμένο ενεργειακό φορτίο), διαγείρεται η ενζυμική δραστηριότητα και η γλυκόλυση. Το κιτρικό οξύ του επόμενου κύκλου αναστέλλει την φωσφοροφρουκτοκινάση. Η β-d-2.6-διφωσφορική φρουκτόζη είναι ένας ισχυρός της φωσφοροφρουκτοκινάσης. μεταβολίτης ενεργοποιητής Αναστολή της φωσφοροφρουκτοκινάσης αναστέλλει την εξοκινάση, όταν ανασταλθεί από το επίπεδο της 6-φωσφορικής γλυκόζης. Το πυροσταφυλικό σχηματίζει το ακετυλοσυνένζυμο Α μέσα στα μιτοχόνδρια με οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση του πυροσταφυλικού: Πυροσταφυλικό+NAD +CoA ακετυλο-coa+co 2 +NADH Καταλύεται από πυροσταφυλική αφυδρογονάση και αρχίζει ο κύκλος του κιτρικού οξέος. Η κινάση του πυροσταφυλικού αναστέλλεται από ΑΤΡ και αλανίνη. Το χαμηλό επίπεδο γλυκόζης στο αίμα προάγει την φωσφορυλίωση της ηπατικής κινάσης του πυροσταφυλικού, μειώνεται η δραστικότητά της και η κατανάλωση γλυκόζης στο ήπαρ. 11 O ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ ΚΙΤΡΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ (ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ KREBS)

12 Θυμίζεται ότι στην μήτρα του μιτοχονδρίου γίνεται η οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση του πυροσταφυλικού και παράγεται ακετυλοσυνένζυμο Α, το οποίο συνδέει την γλυκόλυση με τον κύκλο του κιτρικού οξέος. Μία μονάδα 4 ατόμων άνθρακα του οξαλικού οξέος και μίας μονάδας δύο ατόμων άνθρακα του ακετυλο-coa συνενώνονται όπως: Οξαλικό+ακετυλο-CoA κιτρικό +HS-CoA+H Αυτή η αντίδραση που είναι αλδολική συμπύκνωση, ακολουθείται από μία υδρόλυση και καταλύεται από την κιτρική συνθάση. Το κιτρικό ισομερειώνεται σε ισοκιτρικό, για να αποκαρβοξυλιωθούν έξι άτομα άνθρακα μιάς μονάδας. Για την ισομερείωση πρώτα γίνεται αφυδάτωση και έπειτα ενυδάτωση και ανταλλάσσονται ένα Η και ένα ΟΗ. Καταλύεται από την ακονιτάση και το cis-ακονιτικό είναι ενδιάμεσο προϊόν: H O κιτρικό 2 H cis-ακονιτικό 2 O ισικιτρικό Στο ισοκιτρικό γίνεται οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση που καταλύεται από την ισοκιτρική αφυδρογονάση και έχει ως ενδιάμεσο προϊόν το οξαλοηλεκτρικό: Ισικιτρικό + NAD α-κετογλουταρικό +CO 2 +NADH Η ταχύτητα σχηματισμού του α- κετογλουταρικού είναι σημαντική στην συνολική ταχύτητα του κύκλου. Ακολουθεί δεύτερη οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση του α- κετογλουταρικού σε ηλέκτυλο-coa: α-κετογλουταρικό+ NAD +CoA ηλέκτρυλο-coa+co 2 +NADH Καταλύεται από την α-κετογλουταρική αφυδρογονάση. Στην συνέχεια γίνεται η αντίδραση : Ηλέκτρυλο-CoA +Pi+GDP ηλεκτρικό +GTP+CoA Δηλαδή φωσφορυλιώνεται η διφωσφορική γουανοσίνη και παράγεται ηλεκτρικό και CoA. Καταλύεται από την συνθετάση του ηλέκτρυλο-coa. Με κατάλυση της κινάσης των διφωσφονουκλεοζιτών είναι δυνατό να γίνει η αντίδραση: GTP+ADP GDP+ATP 12 Με μία οξείδωση, μία ενυδάτωση και μία δεύτερη οξείδωση, το ηλεκτρικό μετατρέπεται σε οξαλικό το οποίο αναπαράγεται και η ενέργεια παγιδεύεται σε FADH 2 και NADH :

13 FAD NADH 2 H O ηλεκτρικό φουμαρικό 2 NAD H μηλικό οξαλικό Το ηλεκτρικό οξειδώνεται σε φουμαρικό με ένζυμο την ηλεκτρική αφυδρογονάση. Η φουμαράση καταλύει την ενυδάτωση του φουμαρικού για σχηματισμό μηλικού. Η μηλική αφυδρογονάση καταλύει την οξείδωση του μηλικού σε οξαλικό. Η συνολική αντίδραση του κύκλου του κιτρικού οξέος είναι: ακέτυλο-coa+3nad +FAD+GDP+Pi+2H 2 O 2CO 2 +3NADH+FADH 2 +GTP+2H +CoA Η ταχύτητα του κύκλου ρυθμίζεται ώστε να ανταποκρίνεται στις ανάγκες για ΑΤΡ. Το ΑΤΡ είναι αναστολέας της κιτρικής συνθάσης και της παραγωγής κιτρικού. Το NADH και το ATP αναστέλλει την ισοκιτρική αφυδρογονάση, ενώ το NAD, το Mg 2 και το ADP συνεργούν. Ο κύκλος γενικά μειώνεται με υψηλό επίπεδο ΑΤΡ. 13 Η ΟΞΕΙΔΩΤΙΚΗ ΦΩΣΦΟΡΥΛΙΩΣΗ

14 Τα NADH και FADH 2 που σχηματίζονται στην γλυκόλυση, στην οξείδωση λιπαρών οξέων και στον κύκλο του κιτρικού οξέος, είναι πλούσια σε ενέργεια (περιέχουν ζεύγος ηλεκτρονίων με υψηλό δυναμικό. Όταν ενώνονται με μοριακό οξυγόνο απελευθερώνεται ικανή ενέργεια για παραγωγή ΑΤΡ. Η οξειδωτική φωσφορυλίωση πραγματοποιείται στην εσωτερική μεμβράνη του μιτοχονδρίου. Η μεταφορά ηλεκτρονίων από το NADH και FADH 2 στο Ο 2 οδηγεί στο να αντληθούν πρωτόνια από την μήτρα του μιτοχονδρίου και η οξείδωση και η φωσφορυλίωση είναι παράλληλες αντιδράσεις με βαθμίδωση πρωτονίων στις δύο πλευρές της εσωτερικής μεμβράνης. Ειδικές πρωτεϊνες μεταφέρουν μόρια όπως ADP και λιπαρά οξέα, διά μέσω της εσωτερικής μεμβράνης και συμβαίνει η οξειδοαναγωγική αντίδραση: ½ O 2 +NADH+H H O NAD 2 (ΔG 0 =-52.6 Kcal/mol) Τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται από το NADH στο οξυγόνο μέσω των πρωτεϊνικών συμπλόκων NADH-αναγωγάσης του συνενζύμου Q,κυτοχρωμικής αναγωγάσης και κυτοχρωμικής οξειδάσης. Τα ηλεκτρόνια τα μεταφέρουν τα ένζυμα φλαβίνες, σύμπλοκα σιδήρου-θείου, αίμη και ιόντα χαλκού. Η ουβικινόνη μεταφέρει ηλεκτρόνια στην στην κυτοχρωμική αναγωγάση από το FADH 2 του κύκλου του κιτρικού όταν οξειδώνεται το ηλεκτρικό. Η πρωτεϊνη κυτόχρωμα c μεταφέρει ηλεκτρόνια από την κυτοχρωμική αναγωγάση στην κυτοχρωμική οξειδάση. Τα ηλεκτρόνια του ΝΑDH μέσω της NADH-αναγωγάσης του συνενζύμου Q (λέγεται αφυδρογονάση του NADH), εισέρχονται στο FMN (φλαβινο-νουκλεοτίδιο) και προκύπτει FMNH 2 : NADH+H +FMN FMNH 2 +NAD Τα ηλεκτρόνια των συμπλόκων Fe-S της NADH-αναγωγάσης του συνενζύμου Q μεταφέρονται στο συνένζυμο Q (γνωστό ως ουβικινόνη). Τελικά γίνεται ροή ηλεκτρονίων από το NADH στο μόριο οξυγόνου : NADH+ ½ O 2 +H H 2 O+NAD (ΔG 0 ' =-52.6 Kcal/mol) Αυτή η ΔG 0 χρησιμοποιείται στην σύνθεση ΑΤΡ : 14 ADP+Pi+H ATP+H 2 O (ΔG 0 ' =7.3Kcal/mol)

15 Η μιτοχονδριακή ΑΤΡάση ή συνθάση του ΑΤΡ, καταλύει αυτή την αντίδραση στην εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη. Η μεταφορά ιόντων υδρογόνου στην κυτταροπλασματική πλευρά εξυπηρετεί την σύνθεση ΑΤΡ. Η ροτενόνη και η αμυτάλη παρεμποδίζει την βαθμίδωση πρωτονίων. Η αντιμυκίνη Α παρεμποδίζει την ηλεκτρική ροή από το b-562 στο QH και παρεμποδίζεται η άντληση ιόντων υδρογόνου. Το ασκορβικό παρακάμπτει αυτή την παρεμπόδιση. Το CN,το N 3 και το CO παρεμποδίζουν την ηλεκτρονική ροή προς την κυτοχρωμική οξειδάση. Η συνθάση του ΑΤΡ καταλύει τον σχηματισμό ΑΤΡ από ADP και ορθοφωσφορικό: ADP 3 +Pi 2 +H ATP 4 +H 2 O Υποστρώματα είναι σύμπλοκα Mg 2 του ADP και ATP. Η μετατοπάση καταλύει την αντίδραση: ADP 3 k +ATP 4 m ADP 4 m +ATP 4 k Όπου m=μιτοχόνδριο, k= κυτταρόπλασμα. Αναστέλλεται από ατρακτυλοζίτη και γλυκοζίτη ή μπογκρεατικό οξύ και η οξειδωτική φωσφορυλίωση σταματά αμέσως. Σημειώνεται ότι η ολική οξείδωση της γλυκόζης παράγει ΑΤΡ. Παράγεται θερμότητα όταν η θερμογενίνη βραχυκυκλώνει την συσσώρευση πρωτονίων έξω από το μιτοχόνδριο και αποσυζευγνύει την φωσφορυλίωση. Η μεταφορά ηλεκτρονίων και η φωσφορυλίωση διακόπτεται από DNP (2.4- δινιτροφαινόλη). 15 ΦΩΣΦΟΡΙΚΕΣ ΠΕΝΤΟΖΕΣ ΚΑΙ ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗ

16 Εκτός από παραγωγή ΑΤΡ ηλεκτρόνια διατηρούνται για βιοσυνθετικούς σκοπούς. Η αναγωγική ισχύς παρέχεται από το NADΡH (η φωσφορική ομάδα το ξεχωρίζει από το NADH). To NADH οξειδώνεται προς παραγωγή ΑΤΡ, ενώ το NADPH ειναι δότης ηλεκτρονίου στις αναγωγικές βιοσυνθέσεις. Το NADPH παράγεται: 6-φωσφορική γλυκόζη +2NADP +H 2 O 5-φωσφορική ριβόζη+nadph+2h +CO 2 Στο κυτταροδιάλυμμα σε αντιδράσεις οξείδωσης παράγονται σάκχαρα με 3,4,5,6 άτομα άνθρακα. Η 5-φωσφορική ριβόζη χρειάζεται για σύνθεση RNA, DNA και συνενζύμων των νουκλεοτιδίων. Αφυδρογονώνεται η 6-φωσφορική γλυκόζη και σχηματίζεται λακτόνη, αυτή υδρολύεται και παίρνομε 6-φωσφογλυκονικό οξύ. Αυτό με οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση δίνει 5-φωσφορική ριβουλόζη, ενώ στις αντιδράσεις αυτές το NADP είναι ο δέκτης ηλεκτρονίων. Κατόπιν ισομερειώνεται η 5-φωσφορική ριβουλόζη σε 5-φωσφορική ριβόζη. Μία άλλη πορεία παραγωγής NADPH και όχι 5-φωσφορικής ριβόζης γίνεται αν απαιτείται αυτό. Τότε η 5-φωσφορική ριβόζη μετατρέπεται σε 3-φωσφορική γλυκεραλδεϋδη και 6-φωσφορική φρουκτόζη με κατάλυση τρανσκετολάσης και τρανσαλδοδάσης. Στην πορεία αυτή των αντιδράσεων παράγονται 12 NADPH για κάθε 6-φωσφορική γλυκόζη η οποία οξειδώνεται σε διοξείδιο του άνθρακα. Μπορεί να συντεθεί περισσότερη 5-φωσφορική ριβόζη παρά NADPH. Συνδιασμός με την γλυκολυτική πορεία και προσαρμόζονται τα επίπεδα NADPH και ATΡ, 5-φωσφορικής ριβόζης και πυροσταφυλικού. Η σύνθεση της γλυκόζης από μη υδατανθρακικές ενώσεις (όπως αμινοξέα, γαλακτικό οξύ, γλυκερόλη) είναι η γλυκονεογένεση. Το πυροσταφυλικό μετατρέπεται σε γλυκόζη με ικανές αντιδράσεις γλυκόλυσης. Η γλυκόλυση και η γλυκονεογένεση ρυθμίζονται αντίστροφα και η φωσφοροφρουκτοκινάση και η φωσφατάση της 1.6-διφωσφορικής φρουκτόζης είναι οι ρυθμιστές. 16 ΤΟ ΓΛΥΚΟΓΟΝΟ

17 Είναι ένα καύσιμο το οποίο δραστηριοποιείται με ταχύτητα και είναι πολυμερές γλυκόζης. Αποθηκεύεται στο κυτταρόπλασμα και είναι άφθονο στους μύες και το ήπαρ. Αποικοδομείται σε Λ-φωσφορική γλυκόζη με δράση φωσφορυλάσης. Διασπάται από το ορθοφωσφορικό σε 1-φωσφορική γλυκόζη και αυτή γίνεται 6- φωσφορική γλυκόζη αντιστρεπτά. Η σύνθεση και η αποικοδόμηση γλυκογόνου ρυθμίζεται από πολλές αντιδράσεις. Όταν η συνθάση του γλυκογόνου είναι ενεργός τότε η φωσφορυλάση είναι ανενεργός. Η επινεφρίνη και η γλυκαγόνη αποικοδομούν το γλυκαγόνο και αναστέλλουν την σύνθεσή του. ΤΑ ΛΙΠΑΡΑ ΟΞΕΑ Είναι συστατικά των σφιγγολιπιδίων και είναι και καύσιμα. Είναι αποθηκευμένα στον λιπώδη ιστό οι λιπάσες που ελέγχονται από ορμόνες και με υδρόλυση τις δραστηριοποιούν. Με το ακετυλο-coa μεταφέρονται με καρνιτίνη μέσω της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης και αποικοδομούνται στη μήτρα.. Εκεί οξειδώνονται σχετικά με FAD, ενυδατώνονται και οξειδώνονται σχετικά με NAD και με CoA θειολύονται. Στις οξειδώσεις δημιουργούνται FADH 2 και NADH και το σχηματιζόμενο ακέτυλο-coa στη θειόλυση εισέρχεται στο κύλο του κιτρικού. Συντίθεται στο κυτταροδιάλυμμα. Τα λιπαρά οξέα καθίστανται ακόρεστα από ένζυμα στην μεμβράνη του ΕΔ. Απαιτείται NADH, οξυγόνο, σύμπλοκο φλαβοπρωτεϊνης, κυτόχρωμα και πρωτεϊνη με σίδηρο μη αιμικό για την ακορεστότητα ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΙV

18 H ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΑ ΛΥΟΣΩΜΑΤΑ ΚΑΙ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΟΥΣ Όπως έχει γίνει αποδεκτό, τα γονίδια μεταγράφονται στο m-rna το οποίο είναι το αγγελιαφόρο μόριο για την παραγωγή των πρωτεϊνών στο ριβόσωμα. Σε ένα κανάλι του ριβοσώματος 10 εισέρχεται το m-rna και το t-rna μεταφέρει τα αμινοξέα που θα οικοδομήσουν την πρωτεϊνη που είναι κωδικοποιημένη στο m-rna. Το ριβόσωμα είναι σύμπλοκο r-rna και πρωτεϊνών. ΤΑ ΣΗΜΑΤΑ ΚΙΝΗΣΗΣ ΤΩΝ ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ Έχει γίνει δεκτό ότι μία πρωτεϊνη ή γλυκοπρωτεϊνη,ή λιποπρωτεϊνη κινείται ενδοκυτταρικά σε διάφορα οργανίδια (όπως από το trans Golgi στο λυσόσωμα ή το ενδοπλασματικό δίκτυο ) και οδηγοί είναι τα σήματα αναγνώρισης πρωτεϊνών. Υπάρχει π.χ. το πυρηνικό σήμα εισόδου των πρωτεϊνών στον πυρήνα. Το σήμα εισόδου, η υποδοχή όπου υπάρχει στην μεμβράνη του οργανιδίου, η ενδοκύτωση όπου παρουσιάζεται, είναι διεργασίες που γίνονται αφού λάβουν σήματα από ειδικές πρωτεϊνες οι οποίες πλησιάζουν το οργανίδιο (ιδίως τα σήματα προέρχονται από μερικά αμινοξέα) και τα σήματα αυτά είναι τα θερμικά ηλεκτρομαγνητικά κύματα που εκπέμπονται και τα οποία περιγράφηκαν στο πρώτο κεφάλαιο. Αυτά είναι κατάλληλα διαμορφωμένα για να προκαλέσουν την αναγνώριση από τις πρωτεϊνες ή τα σύμπλοκα που θα διεγερθούν κατάλληλα και θα υπάρξει μία διαδοχή αντιδράσεων και σημάτων γιά να γίνει μία ενέργεια όπως της ενδοκύτωσης ή της αποικοδόμησης της πρωτεϊνης σε ένα λυσόσωμα. Στην ενδοκύτωση με υποδοχέα, το εισερχόμενο σύμπλοκο θα γίνει αποδεκτό από τον υποδοχέα (π.χ. ένα ligand) και θα αρχίσει η διαδικασία της κύτωσης με περικάλυψη κλαθρίνης, που είναι πρωτεϊνη κάλυψης του εισερχομένου μορίου. Κατόπιν η κλαθρίνη θα αποκολληθεί και το κυστίδιο θα οδηγηθεί π.χ. στο λυσόσωμα, όπου θα συντηχθεί η μεμβράνη του με την μεμβράνη του λυσοσώματος. Όλες αυτές οι βιοχημικές διεργασίες οδηγούνται από τα θερμικά κύματα και η εκπεμπομένη ακτινοβολία επιταχυνομένου φορτίου είναι κατάλληλα διαμορφωμένη στην επαλληλία της με άλλα κύματα των γειτονικών σωματιδίων. Οι κυματοομάδες των 10 «Κυτταρική Βιολογία» www-jcb.bio.auth.gr 18

19 ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων συντονίζονται και έλκονται σε σύμπλοκα με κατάλληλη δομή και ιδιοσυχνότητα ταλάντωσης και είναι σήματα διεργασιών που κινούν τα μόρια. Το κωδικόνιο έναρξης του m-rna που θα μεταγραφεί, εκπέμπει τα σήματα που καθοδηγούν την κίνησή του και την πορεία του στα ριβοσώμικά r-rna. Υπάρχει πάντα η δύναμη τριβής που απαμβλύνει τους ταλαντωτές των βιομορίων, όμως υπάρχουν και οι κύκλοι του πυροσταφυλικού, του κιτρικού και της φωσφορυλίωσης που δίνουν ΑΤΡ, θα παραχθεί θερμική ενέργεια και θα αναπληρώσει την ενέργεια απόσβεσης. Με τέτοιες διαδικασίες τα συνεργαζόμενα κύτταρα ενός οργανισμού, γίνονται αυτάρκη για την επιβίωσή τους και εξασφαλίζουν την ενέργεια που χρειάζονται για τις λειτουργίες τους. Η ΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΗ ΤΩΝ ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ ΣΤΑ ΛΥΟΣΩΜΑΤΑ Στα λυοσώματα γίνεται η αποικοδόμηση βιομορίων και οργανιδίων του κυττάρου. Όμως είναι γνωστό ότι οι μεμβρανικές πρωτεϊνες του λυοσώματος και οι γλυκοπρωτεϊνες της μεμβράνης του, δεν αποικοδομούνται από τα ένζυμα του οργανιδίου αυτού. Έτσι υποθέτουμε και την ύπαρξη πρωτεϊνών, γλυκοπρωτεϊνών ή λιποπρωτεϊνών εντός του λυοσώματος, που δεν αποικοδομούνται. Αυτές οι πρωτεϊνες δεσμεύουν σε κατάλληλες θέσεις των αμινοξέων τους, αποικοδομημένων πρωτεϊνών που εισήλθαν στο λυόσωμα, αμινοξέα αυτών των πρωτεϊνών. Οι πρωτεϊνες που δεσμεύουν αποικοδομημένα αμινοξέα, με εξωκύτωση εισέρχονται στο κυτταρόπλασμα και κατευθύνονται σε ριβόσωμα όπου συντήκονται στο κανάλι των οργανιδίων αυτών. Δεν είναι λοιπόν τα t-rna που μεταφέρουν τα αμινοξέα, αλλά πρωτεϊνες του λυοσώματος που δέσμευσαν αμινοξέα και τα οποία με την επίδραση του m-rna θα σχηματίσουν μία νέα πρωτεϊνη στο ριβόσωμα. Οι πρωτεϊνες του ριβοσώματος δέχονται τα σήματα άφιξης των πρωτεϊνών που μεταφέρουν τα αμινοξέα που δεσμεύθηκαν και το r-rna στο ριβόσωμα, δέχεται τα σήματα άφιξης του m-rna. 19 Είναι δυνατό στο κύτταρο να εισέρχονται αποικοδομημένα αμινοξέα στο κυτταρόπλασμα και εκεί να δεσμεύονται σε πρωτεϊνες μεταφοράς και κατόπιν να

20 κατευθύνονται στο ριβόσωμα. Με τον τρόπο αυτό, οι πρωτεϊνες ασκούν ένα καταλυτικό ρόλο και συμμετέχουν στον σχηματισμό νέων πρωτεϊνών. Πάντα σε κάθε διεργασία τα σήματα έναρξης και διεξαγωγής της, προέρχονται από τις επιταχύνσεις των ηλεκτρισμένων σωματίων των βιομορίων και οι ταλαντώσεις τους διέπονται από την τριβή (όπως του ιξώδους). Την απώλεια ενέργειας λόγω τριβής που γίνεται με ακτινοβολία, αναπληρώνουν με απορρόφηση ακτινοβολίας που εκπέμπουν άλλα μόρια και πιθανόν η ενέργεια αυτή να προέρχεται από την δημιουργία ΑΤΡ,ή την υδρόλυσή της και την χρησιμοποίησή της σε άλλες αντιδράσεις. Οι οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις στο κύτταρο προμηθεύουν με την απαιτούμενη ενέργεια στις ταλαντώσεις των φορτισμένων σωματίων και στις διάφορες αντιδράσεις. Είναι γνωστό ότι η ενέργεια μεταφέρεται στο κύτταρο με μόρια γλυκόζης ή σύμπλοκά της και που λήφθηκαν με την τροφή φυτικών ή ζωϊκών οργανισμών. Επισημαίνεται ο καταλυτικός ρόλος των λυοσωμάτων στην θεώρησή μας όπου αυτά αποικοδομούν πρωτεϊνες και προμηθεύουν με αμινοξέα τις πρωτεϊνες μεταφοράς στα ριβοσώματα και πιθανό στα λυοσώματα να εισήλθαν και αποικοδομημένα αμινοξέα που εισήλθαν στο κύτταρο με την τροφή. Οι πρωτεϊνες μεταφοράς θα μεταφέρουν τα αποικοδομημένα αμινοξέα στο ριβόσωμα και εκεί θα γίνει πρωτεϊνοσύνθεση με την μετάφραση του m-rna και μπορούμε να ονομάσουμε τις πρωτεϊνες μεταφοράς t-proteins. 20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ V Ο ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΣ ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ

21 Έχει υποστηριχθεί 11 ότι πιθανόν στην πρώϊμη εξέλιξη της φύσης, πρώτα να σχηματίστηκε RNA και με αντίστροφη μεταγραφή να σχημάτισε κλώνο DNA που αναδιπλασιάστηκε και σχηματίστηκε το μόριο DNA και έτσι ξεκίνησε η ζωή. Είναι γεγονός η πειραματική σύνθεση αμινοξέων in vitro και η κατασκευή νουκλεοζιτών, βάσεων και φωσφορικών ριζών. Για να γίνει ένα μόριο DNA ή RNA είναι εξαιρετικά δύσκολο, γιατί προϋποθέτει ένα εκ των προτέρων λογισμικό το οποίο θα επενδυθεί στο μόριο αυτό. Είναι τότε ευκολότερο να δεχτούμε ότι το λογισμικό του DNA και του επόμενου RNA, να είναι κατευθυνόμενο από τις πρωτεϊνες. Επειδή θεωρούμε ότι οι πρωτεϊνες είναι αυτές που μεταφέρουν τα αμινοξέα προς σύνθεση πρωτεϊνών στα ριβοσώματα, είναι επόμενο να υποστηρίξουμε ότι αυτές κωδικοποίησαν με αντίστροφη μετάφραση ένα m-rna από τα συστατικά των νουκλεοζιτών και φωσφορικών ενώσεων του πλάσματος και αυτό με την σειρά του μετέγραψε αντίστροφα το DNA. Χρειάστηκε μία κυτταρική μεμβράνη που σχηματίστηκε στις συνθήκες της γήϊνης εξέλιξης και η οποία θα περιέκλινε τα συστατικά και τις πρωτεϊνες που θα κωδικοποιούσαν τα m-rnas. Από την πειραματική διαπίστωση συνθέσεως αμινοξέων, υποθέτουμε την σύνθεση πρωτεϊνών και μάλιστα των μεμβρανικών που συνέστησαν με άλλα μόρια τις μεμβράνες και περικύκλωσαν πολλά άλλα μόρια. Σε κατάλληλες συνθήκες δημιουργήθηκαν τα πρώτα προκαρυωτικά κύτταρα, που είναι τα πρόδρομα κύτταρα των ευκαρυωτικών. Με την θεώρηση αυτή, οι πρωτεϊνες είναι πράγματι τα πρώτα βιομόρια στην πορεία της έμβιας ύλης και αυτές που καθοδήγησαν τις βιολογικές διεργασίες που εξελίχθησαν. Με την δημιουργία του DNA οι ρόλοι άλλαξαν και έγινε αυτό το πρωταρχικό κύτταρο δημιουργίας βιομορίων και ρυθμίζει πλέον τις κυτταρικές λειτουργίες ικανοποιητικά. Οι μεμβρανικές πρωτεϊνες είναι σύμπλοκα με λιπαρά οξέα και αυτά είναι προϊόντα της εξέλιξης. Θεωρείται πιθανόν ο τυχαίος σχηματισμός μίας νέας πρωτεϊνης που θα μεταφερθεί μέσα σε ένα κύτταρο, να «θυμηθεί» τον πρωταρχικό της ρόλο και να μεταφράσει αντίστροφα m-rnas το οποίο θα μεταγράψει αντίστροφα ένα νέο γονίδιο. 11 «Βιοχημεία» Stryer 21

22 Έτσι αποκαλύπτεται ο καταλυτικός ρόλος των πρωτεϊνών και ο κυκλικός επηρεασμός στον σχηματισμό των βιομορίων, μονο που οι πρωτεϊνες έχουν τον πρωταρχικό ρόλο στην εξέλιξη. Τα λιπαρά οξέα είναι απλούστερες ενώσεις και πιο προσπελάσιμες να δημιουργηθούν και πλαισιώνουν τον ρόλο των πρωτεϊνών. Σε μία ζεστή λίμνη πιθανόν, όπου συνέβαιναν ηλεκτρικές εκκενώσεις (κεραυνοί) και η οποία ήταν γεμάτη από πρόδρομα μόρια των βιομορίων, ο σχηματισμός αμινοξέων και κατόπιν πρωτεϊνών, θα είναι το έναυσμα για την δημιουργία προκαρυωτικών κυττάρων και το φαινόμενο της ζωής. Η σύνθεση των προδρόμων μορίων των βιομορίων πρέπει να έφερε το λογισμικό μαζί των,το λογισμικό των ανωτέρω ενώσεων το οποίο προβάλλει σαν άϋλη προϋπάρχουσα κατάσταση και η οποία ανέμενε την εφαρμογή της. Η vis vitalis (η ζώσα δύναμη, η ζωοποιός δύναμη του κυττάρου), δεν υπάρχει πλέον για να διευθύνει τις κυτταρικές κινήσεις και αντιδράσεις, αλλά χρειάζεται να υπάρχει το λογισμικό (και να μην είναι σύμπτωση η δημιουργία έμβιας ύλης), το οποίο θα προκαλέσει την σύνθεση των βιομορίων και τον σχηματισμό της έμβιας ύλης. Η αυτόματη τοποθέτηση των πρωτεϊνών, λιποπρωτεϊνών και γλυκοπρωτεϊνών στην κυτταροπλασματική μεμβράνη, υπακούει στις ενδογενείς ιδιότητες των μορίων αυτών και συνεπώς υποτίθεται ότι το λογισμικό της μεμβράνης που θα οικοδομηθεί, ότι είναι κάποιο σχέδιο, προϋποθέσεις βιοσύνθεσης αλλιώς και οι οποίες κατά κάποιο τρόπο προϋπάρχουν και είναι συνυπάρχουσες με τα υλικά μόρια. 22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ VI ΤΟ ΚΕΝΤΡΙΚΟ ΣΧΕΔΙΟ

23 Σε ένα κύτταρο η κατάστασή του που μεταφράζεται σε θερμική ακτινοβολία, θα προκαλέσει την ενεργοποίηση των γονιδίων και την μεταγραφή τους σε m-rna και το οποίο θα κατευθυνθεί στο ριβόσωμα. Παράλληλα η συνεχώς μεταβαλλόμενη κατάσταση θα συνδράμει στο να προσδεθούν αμινοξέα σε πρωτεϊνες μεταφοράς στο λυόσωμα και θα κατευθυνθούν στο ριβόσωμα για να συντεθούν νέες πρωτεϊνες. Λιπαρά οξέα συντίθενται στο κυτταρόπλασμα. Η πρωτεϊνοσύνθεση και γενικότερα η σύνθεση βιομορίων συντελείται και την ενέργεια παρέχουν τα μόρια ΑΤΡ που σχηματίζονται και αργότερα υδρολύονται. Αλλά και η καύση των λιπαρών οξέων παρέχει ενέργεια. Η οξειδοαναγωγή συντελείται και η ενέργεια είναι διαθέσιμη στις αντιδράσεις και στις κινήσεις του κυττάρου. Τα ιόντα όπως μαγνησίου ή νατρίου κατευθύνονται από κατανομές φορτίου των άλλων μορίων ή των χημικών δεσμών και προκαλούν διαφορά δυναμικού ιδίως στις δύο πλευρές των μεμβρανών όπως της κυτταροπλασματικής, ή καταλύουν ή προκαλούν αντιδράσεις. Το ph που προσδιορίζεται από ιόντα υδρογόνου και τα άλλα ιόντα, επηρεάζει την λειτουργία του κυττάρου (χαρακτηριστική είναι η αντλία πρωτονίων στα μιτοχόνδρια, που βοηθείται από πρωτεϊνες μεταφοράς). Κάθε αντίδραση καταλύεται και από μία πρωτεϊνη ένζυμο και πιθανό και με ανόργανο συγκαταλύτη. Στην περιγραφή των κύκλων του πυροσταφυλικού, του κιτρικού και της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης, είναι άφθονη η ενζυμική δράση των πρωτεϊνών που αναφέρθησαν κάπως εκτεταμένα και οι πρωτεϊνες σχηματίζονται με μεταγραφή και μετάφραση. Οι μεμβράνες των οργανιδίων, ο κυτταρικός σκελετός, το ενδοπλασματικό δίκτυο, το περιεχόμενο οργανιδίων, αποτελούνται και από τα κυρίαρχα μόρια των πρωτεϊνών και οι οποίες απαιτούν ενέργεια που δίνει το μόριο ΑΤΡ όταν σχηματίζεται και όταν υδρολύεται και σχηματίζονται οι πρωτεϊνες. Πολλές πρωτεϊνες εξέρχονται του κυττάρου για να χρησιμοποιηθούν από κύτταρα άλλων οργάνων στον ανθρώπινο οργανισμό και να συμβάλλουν στον 23 μεταβολισμό τους, που είναι το ζητούμενο στην λειτουργία του κυττάρου. Η ρευστότητα των μεμβρανών επηρεάζεται από την θερμοκρασία και από τον κορεσμό των λιπαρών οξέων σε υδρογόνο. Οι ουσίες που θα διέλθουν επηρεάζονται από την ρευστότητα των μεμβρανών και η θερμοκρασία επηρεάζεται από τις

24 διαδικασίες οξειδοαναγωγής του κυττάρου. Ο μεταβολισμός του κυττάρου και η θερμότητα που απελευθερώνεται στις αντιδράσεις επηρεάζουν την ρευστότητα και το ph επηρεάζει τον κορεσμό των λιπαρών οξέων των μεμβρανών. Στην ζωή ενός οργανισμού όπως του ανθρώπου, η διαίρεση των κυττάρων είναι γρήγορη στην πρώϊμη ηλικία και με την πάροδο του χρόνου γίνεται πιο αργή. Στην ηλικία ετών, ο ρυθμός θανάτου των κυττάρων ισορροπεί τις γεννήσεις (διαιρέσεις). Στις μεγάλες ηλικίες 12 συμβαίνουν 30 διαιρέσεις κυττάρων όταν σε ηλικία σαράντα ετών συμβαίνουν 40 διαιρέσεις σε κάθε κύτταρο. Ο θάνατος του κυττάρου συμβαίνει επειδή οργανίδιο ή οργανίδια παύουν να λειτουργούν τα οποία είναι όψιμα και αυτό γίνεται επειδή οι πρωτεϊνες ή τα λιπίδια δεν αντικαθίστανται επαρκώς και υποβάλλονται στην φθορά του χρόνου. Η κατάσταση της πρωτεϊνικής σύνθεσης του κυττάρου απαμβλύνεται με τον χρόνο και ο μεταβολισμός επηρεάζεται έμμεσα. Ο επηρεασμός του μεταβολισμού επηρεάζει την ρευστότητα των μεμβρανών, όπως επηρεάζει και ο κορεσμός των οξέων των μεμβρανών και το κύτταρο δεν τρέφεται επαρκώς. Επηρεάζεται έτσι ο σχηματισμός πρωτεϊνών κυκλικά και ο ρυθμός αντικατάστασης των γερασμένων πρωτεϊνών που βρίσκονται στις δομές των οργανιδίων. Μειώνονται τα ένζυμα με την πάροδο του χρόνου λόγω φθοράς του DNA που τα μεταγράφει και επηρεάζεται πάλι ο μεταβολισμός του κυττάρου. Ο επηρεασμός της πρωτεϊνοσύνθεσης επηρεάζεται από την ηλικία του DNA και την απόκρισή του στις απαιτήσεις του κυττάρου. Το DNA όπως γωρίζουμε αναδιπλασιάζεται στην περίοδο S της μεσόφασης και κληροδοτεί στο νέο κύτταρο, το ένα κλώνο του δικού του DNA (ο άλλος είναι νεοσυνθετημένος στην αντιγραφή) και ο κλώνος αυτός του DNA δίνει και την ηλικία του γονιδιώματος. Η διαρκής ακτινοβολία επιταχυνομένου φορτίου, συσσωρεύει ενέργεια στο DNA και αυτό με την σειρά του δεν ανταποκρίνεται στην πρωτεϊνοσύνθεση. Παράλληλα και ο κορεσμός της κυτταροπλασματικής μεμβράνης επηρεάζει την είσοδο βιομορίων στο κύτταρο. Η πτώση της πρωτεϊνοσύνθεσης και η είσοδος λιγοτέρων πρωτεϊνών ή άλλων μορίων, επηρεάζει τον μεταβολισμό και την ταχύτητα διαίρεσης των κυττάρων. Η φθίση και το γήρας επέρχεται. Αυτή την πορεία της φθίσης διαψεύδουν κάποια γονίδια και κατά το γήρας αυξάνονται μερικές πρωτεϊνες «Κυτταρική Βιολογία» www-jcb.bio.auth.gr 24

25 Η περίοδος S της μεσόφασης είναι η πιο μεγάλη και αναδιπλασιάζεται το DNA. Γνωρίζομε ότι σε θερμοκρασία C in vitro σπάζουν οι κλώνοι του DNA και υποθέτουμε ότι και στο καρκινικό κύτταρο που η διαίρεση είναι γρήγορη, ότι μικραίνει η περίοδος αυτή της μεσόφασης. Η δινιτροφαινόλη αυξάνει επικίνδυνα την θερμοκρασία του κυττάρου και υποστηρίζουμε ότι ίσως αυτή η ουσία παράγεται περισσότερο στο καρκινοπαθές κύτταρο, ή ο μεταβολισμός του είναι πιο γρήγορος και παράγεται μεγαλύτερη θερμότητα. Με παραγωγή ικανών ενζύμων όπως η ΑΤΡάση που καταλύει τον αναδιπλασιασμό του DNA και ίσως ανοργάνων καταλυτών, επιταχύνεται η ταχύτητα διάσπασης του DNA παράλληλα με την παραγωγή μεγαλύτερης θερμότητας στο καρκινικό κύτταρο. Στην θεώρηση αυτή η CTP που αναστέλει την ενέργεια της ΑΤΡάσης, μειώνει τον ρυθμό αναδιπλασιασμού του DNA. Η CTP δρά σαν αντίσωμα και δεν πρέπει να την περιορίζουμε στον καρκίνο. Όταν το DNA γερνά γίνεται μικρότερος ρυθμός πρωτεϊνοσύνθεσης και αργότερος ο μεταβολισμός και υπάρχουν λιγότερα ένζυμα και σας παραπέμπουμε στους κύκλους παραγωγής ΑΤΡ, για μία μικρή ενημέρωση στα ένζυμα που χρησιμοποιούνται. Πτώση της θερμοκρασίας επηρεάζει δυσμενώς την διαπερατότητα των μεμβρανών και δυσχεραίνεται πάλι ο μεταβολισμός. Στον καρκίνο αντίθετα η διαπερατότητα των μεμρανών είναι μεγάλη λόγω της μεγάλης θερμοκρασίας και η πρωτεϊνοσύνθεση γρήγορη με τον ρυθμό παραγωγής ΑΤΡ αυξημένο και ίσως ουσιών όπως η δινιτροφαινόλη. Πρέπει να σημειώσουμε ότι στον αναδιπλασιασμό του DNA κατά την μεσόφαση και ιδίως στην περίοδο S δεν υπάρχει γονίδιο που κατευθύνει τις ενέργειες αυτές. Γνωρίζουμε ότι τα ιντρόνια δεν κωδικοποιούν πρωτεϊνες και τα εξόνια όπου οι κλώνοι του DNA δεν είναι ανοικτοί κωδικοποιούν. Έτσι υποθέτουμε ότι στο DNA που ανα-διπλασιάζεται, όταν οι κλώνοι του ανοίγουν δεν κωδικοποιούν πρωτεϊνες και δεν ελέγχεται καμμία διεργασία μέχρι την αντιγραφή. Ο αναδιπλασιασμός γίνεται από την θερμοκρασία του κυττάρου που στην φάση αυτή είναι ανεβασμένη. Ανακαλύπτουμε λοιπόν ότι η θερμότητα αυξάνει τον ρυθμό διαίρεσης των κυττά- 25 ρων, αλλά και αυξάνει την διέγερση των σωματίων του DNA το οποίο για τον λόγο αυτό γερνά και παράγει λιγότερες πρωτεϊνες (επηρεάζει αρνητικά και μακροχρόνια τον ρυθμό διαίρεσης).

26 Στο στάδιο αυτό λοιπόν των ερευνών που βρισκόμαστε, προτείνουμε μείωση του ρυθμού παραγωγής ΑΤΡ στα καρκινικά κύτταρα επηρεάζοντας την παραγωγή ενζύμων που καταλύουν τους κύκλους της, αντιμετώπιση ουσιών όπως η δινιτροφαινόλη που αυξάνουν την θερμότητα του κυττάρου, μη επηρεασμό της ποσότητας CTP, αύξηση του κορεσμού της πλασματικής μεμβράνης και ακτινοβολία μικροκυμάτων μικρής ισχύος στις άρρωστες περιοχές. Για την αντιμετώπιση του γήρατος, πρέπει να αυξήσουμε τον ρυθμό μεταβολισμού του κυττάρου, να επηρεάσουμε τον κορεσμό της πλασματικής μεμβράνης και μία μικροκυματική ακτινοβολία κατάλληλα διαμορφωμένη σε ικανοποιητική ισχύ, θα είναι μερικοί από τους παράγοντες που πρέπει να προσέξουμε. Για το γήρας το αναγκαιότερο είναι η αντιμετώπιση της φθίσης του DNA και της συσσώρευσης ενέργειας θερμικής σε αυτό. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Βασική Βιοχημεία Δημόπουλου-Αντωνοπούλου Βιοχημεία Stryer Κυτταρική Βιολογία www-jcb.bio.auth.gr Κυτταρική Βιολογία Μαργαρίτης Ο Χημικός Δεσμός Κλούρας-Περλεπές Αρχές και Εφαρμογές της Ανοργάνου, Οργανικής και Βιολογικής Χημείας Garet-Denniston-Topping Στοιχεία Ανόργανης Χημείας Μανωλκίδης-Μπέζας Φυσική Serway Φυσική Ohanian Κυματική Κουγιουμτόπουλου 26