Βιολογία(Γενικής(Παιδείας Β Λυκείου

Transcript

1 Βιολογία(Γενικής(Παιδείας Β Λυκείου Ελληνογαλλική Σχολή Jeanne D Arc Δημοσθένης Καρυοφύλλης dkariofi@e-biology.gr

2 Κεφ. 1 ο Χημική σύσταση του κυττάρου Χαρακτηριστικά των επιπέδων οργάνωσης: Η δομή εξυπηρετεί τη λειτουργία. Το ανώτερο επίπεδο εμφανίζει ιδιότητες που δεν υπήρχαν στο κατώτερο. Ισχύουν πάντα οι ίδιοι φυσικοχημικοί νόμοι. Όλοι οι οργανισμοί αποτελούνται από τα ίδια χημικά μόρια, δηλώνοντας έτσι την κοινή προέλευση. Η χημεία της ζωής Χημικά στοιχεία που συνθέτουν τους οργανισμούς 92 στοιχεία στο φλοιό της γης 27 απαραίτητα για τη ζωή 4 από αυτά συμμετέχουν κατά 96% (C, O, H, N) γιατί: Μπορούν να σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς, τόσο μεταξύ τους όσο και με άτομα των άλλων τριών στοιχείων. Με εξαίρεση το Η, καθένα από τα άλλα τρία μπορεί να συνδέεται με απλούς ή πολλαπλούς δεσμούς, με περισσότερα από ένα άτομα του ίδιου ή διαφορετικών στοιχείων ταυτόχρονα. P, S, Na, K, Ca, Mg, Cl, συμμετέχουν κατά 4% Ιχνοστοιχεία συμμετέχουν κατά 0.01% Βιομόρια είναι βασικά δομικά ή λειτουργικά συστατικά των οργανισμών που παράγονται από τους ίδιους. Από τα χαρακτηριστικά που πρέπει να διαθέτουν είναι: Σταθερότητα και Ποικιλομορφία Η χημεία της ζωής είναι «υγρή» Τα κύτταρα βρίσκονται είτε άμεσα είτε έμμεσα σε υδατικό περιβάλλον, ενώ το εσωτερικό τους περιβάλλον είναι επίσης υγρό (νερό) κατά 80%. Οι λόγοι είναι: Οι περισσότερες από τις χημικές ουσίες είναι ευδιάλυτες στο νερό, οπότε μεταφέρονται εύκολα. Το νερό συμμετέχει και το ίδιο σε μερικές αντιδράσεις (π.χ. υδρόλυση). Έχει μεγάλη θερμοχωρητικότητα. Έχει μεγάλη επιφανειακή τάση. κ.λ.π. Μικρά μόρια και μακρομόρια Απλές ανόργανες ενώσεις όπως: Οξέα Βάσεις και Άλατα Βρίσκονται σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις μέσα στο κύτταρο, αλλά έχουν μοναδική σημασία για τη ζωή, γιατί: ρυθμίζουν το ph στο εσωτερικό του κυττάρου 1

3 Σύνθετες οργανικές ενώσεις όπως: Πρωτεΐνες Νουκλεϊκά οξέα Υδατάνθρακες και Λιπίδια Συνιστούν το υπόλοιπο περιεχόμενο του κυττάρου και αποτελούν τα μακρομόρια. (Σημ.: η έννοιες μακρο- και μικρο- είναι σχετικές) Μακρομόρια (συχνά είναι μορφές πολυμερών) Πολυμερή είναι ενώσεις που σχηματίζονται από την επανάληψη απλούστερων ενώσεων, των μονομερών. Τα μονομερή, δηλαδή, είναι οι δομικοί λίθοι με τους οποίους σχηματίζονται τα πολυμερή. (Αν θεωρήσουμε έναν τοίχο σαν το πολυμερές, τότε τα μονομερή θα είναι τα τούβλα από τα οποία αποτελείται). Τα περισσότερα βιομόρια είναι πολυμερή. Βιομόριο (πολυμερές) Πρωτεΐνη Νουκλεϊκά οξέα Υδατάνθρακες Μονομερές Αμινοξέα Νουκλεοτίδια Μονοσακχαρίτες Τα μονομερή ενώνονται ένα μηχανισμό που ονομάζεται συμπύκνωση και σχηματίζονται τα πολυμερή-μακρομόρια (που είναι και βιομόρια). Στη συμπύκνωση ένα H από το ένα μονομερές και ένα ΟΗ από το επόμενο απομακρύνονται, σαν ένα μόριο H2O, και τα δυο μονομερή συνδέονται με ομοιοπολικό δεσμό. Η διάσπαση των βιομορίων με την προσθήκη H2O, ονομάζεται υδρόλυση. Δεσμοί που συναντώνται στα βιομόρια Ομοιοπολικός Συνένωση των μονομερών Δεσμοί υδρογόνου Δυνάμεις Van der Waals Υδρόφοβοι δεσμοί Συµµετέχουν στην τελική διαµόρφωση των µακροµορίων Πρωτεΐνες Σχηματίζονται από αμινοξέα. Από τα 170 αμινοξέα που έχουν ανιχνευτεί στη φύση, μόνο 20 αποτελούν συστατικά των πρωτεϊνών. Κάθε αμινοξύ αποτελείται: από ένα άτομο άνθρακα ενωμένο: με ένα υδρογόνο, μια αμινομάδα, 2

4 μια καρβοξυλομάδα και μια πλευρική αλυσίδα R. Αυτή η πλευρική ομάδα R έχει διαφορετική χημική δομή για κάθε αμινοξύ. Άρα υπάρχουν 20 διαφορετικές R στα 20 διαφορετικά αμινοξέα. Τα αμινοξέα ενώνονται στη σειρά, με το μηχανισμό της συμπύκνωσης και σχηματίζουν πολυμερή, που ονομάζονται πεπτίδια. Ανάλογα με τον αριθμό των αμινοξέων βάζουμε το πρόθεμα δι-, τρι, τετρα-, κ.λ.π πριν από τη λέξη πεπτίδιο. Δηλαδή αν ενωθούν τρία αμινοξέα σχηματίζεται ένα τριπεπτίδιο. Όταν ο αριθμός ξεπερνά τα 50 αμινοξέα τότε μιλάμε για πολυπεπτίδια. Οι πρωτεΐνες δηλαδή είναι πολυπεπτίδια. (Όλα τα πολυπεπτίδια δεν είναι απαραίτητα και πρωτεΐνες. ΓΙΑΤΙ;) Οργάνωση των πρωτεϊνικών μορίων: Πρωτοταγής δομή: η αλληλουχία των αμινοξέων Δευτεροταγής δομή: ελικοειδής ή πτυχωτή Τριτοταγής δομή: μορφή στο χώρο πληροφορίες για τη λειτουργία Τεταρτοταγής δομή: περισσότερες από μια αλυσίδες και συνδυασμός τους για σχηματισμό του τελικού ενιαίου μορίου. Η διαμόρφωση του πρωτεϊνικού μορίου στο χώρο, Καθορίζεται από την αλληλουχία των αμινοξέων στην πεπτιδική αλυσίδα και Σταθεροποιείται από τους δεσμούς που σχηματίζονται ανάμεσα στις ομάδες R των αμινοξέων. Η δομή των πρωτεϊνικών μορίων καθορίζει τη λειτουργία τους: Αυτό γίνεται φανερό κατά τη διάρκεια της μετουσίωσης. Μετουσίωση μιας πρωτεΐνης είναι το σπάσιμο των δεσμών που έχουν αναπτυχθεί μεταξύ των πλευρικών ομάδων των αμινοξέων, με αποτέλεσμα την καταστροφή της τρισδιάστατης δομής της και συνεπώς την απώλεια της λειτουργικότητάς της. Μετουσίωση μπορεί να συμβεί με: ακραίες θερμοκρασίες και ακραίες τιμές ph Ακόμα: Διαφορετική αλληλουχία των αμινοξέων οδηγεί σε: Διαφορετική δυνατότητα να σχηματιστούν δεσμοί μεταξύ των ομάδων R των αμινοξέων, δηλαδή, Διαφορετική αναδίπλωση του μορίου, δηλαδή, Διαφορετική δευτεροταγή δομή, δηλαδή, Διαφορετική τριτοταγή, δηλαδή, Διαφορετική διαμόρφωση στο χώρο. 3

5 Οι πρωτεΐνες ανάλογα με τη λειτουργία τους διακρίνονται σε: Δομικές και λειτουργικές. Νουκλεϊνικά οξέα (ή νουκλεϊκά οξέα): Τα νουκλεϊκά οξέα καθορίζουν την παραγωγή πρωτεϊνών και έτσι ελέγχουν όλες τις λειτουργίες και τα κληρονομικά γνωρίσματα των οργανισμών. Υπάρχουν δυο είδη νουκλεϊνικών οξέων: DNA και το RNA Τα μονομερή από τα οποία αποτελούνται τα νουκλεϊνικά οξέα είναι τα νουκλεοτίδια. Νουκλεοτίδια: Τα νουκλεοτίδια αποτελούνται από: Μια πεντόζη (σάκχαρο), που μπορεί να είναι η δεσοξυριβόζη ή η ριβόζη Ένα μόριο φωσφορικού οξέος και Μια αζωτούχο βάση, που μπορεί να είναι μια από τις Α, Τ, U, G, C. Που ενώνονται με ομοιοπολικό δεσμό. Όταν η πεντόζη είναι η δεσοξυριβόζη και oι αζωτούχες βάσεις οι A, T, G,C, τότε μιλάμε για δεσοξυριβονουκλεοτίδια, που δίνουν DNA Όταν η πεντόζη είναι η ριβόζη και οι αζωτούχες βάσεις οι A,U,G,C, τότε μιλάμε για ριβονουκλεοτίδια, που δίνουν RNA Δυο μονοφωσφορικά νουκλεοτίδια ενώνονται με ομοιοπολικό δεσμό για να αποτελέσουν ένα δινουκλεοτίδιο, κ.λ.π. Αν η διαδικασία επαναληφθεί χιλιάδες φορές, τότε δημιουργείται ένα πολυνουκλεοτίδιο. Οι αλυσίδες των νουκλεϊνικών οξέων έχουν μεγάλο μήκος, πράγμα που τα καθιστά ικανά να είναι οι φορείς των πληροφοριών. Δομή του DNA: 2 πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες (κλώνοι) που σχηματίζουν διπλή έλικα Οι αζωτούχες βάσεις κάθε κλώνου είναι κάθετες στον κύριο άξονα και προεξέχουν στο εσωτερικό του 4

6 Οι δυο κλώνοι συγκρατούνται με δεσμούς υδρογόνου που αναπτύσσονται μεταξύ των απέναντι αζωτούχων βάσεων Οι αζωτούχες βάσεις που βρίσκονται απέναντι η μια από την άλλη χαρακτηρίζονται σαν συμπληρωματικές. Τέτοιες είναι: Α-Τ και G-C Μεταξύ των ζευγαριών των συμπληρωματικών βάσεων αναπτύσσονται: 2 δεσμοί υδρογόνου στο ζεύγος Α-Τ και 3 δεσμοί υδρογόνου στο ζεύγος G-C. Χάρη στη συμπληρωματικότητα το μόριο του DNA μπορεί: Να αντιγράφεται με ακρίβεια και Να ασκεί τον κατευθυντήριο ρόλο του σε όλες τις δραστηριότητες του κυττάρου. Βιολογικός ρόλος του DNA: Φέρει τις γενετικές πληροφορίες Ελέγχει μέσο αυτών κάθε κυτταρική δραστηριότητα Μεταβιβάζει τις πληροφορίες αναλλοίωτες από γενιά σε γενιά Επιτρέπει τη δημιουργία γενετικής ποικιλομορφίας. Το σύνολο των μορίων του DNA ενός κυττάρου αποτελεί το γενετικό υλικό. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα το DNA βρίσκεται Μέσα στον πυρήνα, Στα μιτοχόνδρια (μικρό ποσοστό) και Στους χλωροπλάστες (μικρό ποσοστό) Οι χλωροπλάστες και τα μιτοχόνδρια είναι οργανίδια με σχετική αυτονομία. Δομή και βιολογικός ρόλος του RNA: Το RNA αποτελείται από ριβονουκλεοτίδια και είναι κατά βάση μονόκλωνο (Σε μερικές περιοχές μπορεί να αναδιπλώνεται και η διαμόρφωση αυτή σταθεροποιείται με δεσμούς υδρογόνου που σχηματίζονται μεταξύ των συμπληρωματικών βάσεων Α-U, G-C). Εμφανίζεται με τρεις διαφορετικούς τύπους: Αγγελιαφόρο RNA (mrna), μεταφέρει τη γενετική πληροφορία από το DNA στα ριβοσώματα Μεταφορικό RNA (trna), μεταφέρει τα αμινοξέα στα ριβοσώματα και Ριβοσωμικό RNA (rrna), έχει δομικό ρόλο σαν συστατικό των ριβοσωμάτων. Το RNA βρίσκεται: Στον πυρήνα, 5

7 Στο κυτόπλασμα Ελεύθερο ή Στα ριβοσώματα Στα μιτοχόνδρια και Στους χλωροπλάστες Υδατάνθρακες: Μπορεί να είναι πηγή ενέργειας: Γλυκόζη Άμυλο Γλυκογόνο ή Δομικά συστατικά: κυτταρίνη Διακρίνονται σε: Μονοσακχαρίτες Δισακχαρίτες και Πολυσακχαρίτες Μονοσακχαρίτες: Τριόζες Πεντόζες Εξόζες Δισακχαρίτες: Από τη συνένωση δυο μονοσακχαριτών. Κυριότεροι είναι: Μαλτόζη (από το άμυλο) Σακχαρόζη (στα φρούτα) Λακτόζη (στο γάλα). Πολυσακχαρίτες: Από τη συνένωση πολλών μονοσακχαριτών. Κυριότεροι είναι: Κυτταρίνη (φυτά), δομικός Άμυλο (φυτά), αποθηκευτικός Γλυκογόνο (ζωικά κύτταρα και μύκητες), αποθηκευτικός Σχηματίζονται από το ίδιο μονομερές, τη γλυκόζη, αλλά διαφέρουν στο: Μέγεθος Τη μορφή του μορίου και το Βιολογικό ρόλο Λιπίδια: Δομικά ή Λειτουργικά συστατικά 6

8 Σημαντικότερες κατηγορίες: Ουδέτερα λίπη Φωσφολιπίδια Στεροειδή Κοινό χαρακτηριστικό: δεν διαλύονται στο νερό Ουδέτερα λίπη: 1 μόριο γλυκερόλης + 3 μόρια λιπαρών οξέων = 1 μόριο ουδέτερου λίπους (τριγλυκερίδιο) Τα ουδέτερα λίπη διακρίνονται σε: Κορεσμένα (συχνότερα στα ζώα, συνήθως στερεά) και Ακόρεστα. (συχνότερα στα φυτά, συνήθως υγρά) Φωσφολιπίδια: Ουρά υδρόφοβη 2 μόρια λιπαρού οξέος + 1 μόριο γλυκερόλης + Κεφαλή υδρόφιλη 1 μόριο φωσφορικού οξέος + 1 μικρότερο πολικό μόριο Σε αυτά τα χαρακτηριστικά στηρίζεται η συγκρότηση και λειτουργικότητα των μεμβρανών των κυττάρων, που τα κύρια δομικά συστατικά είναι τα φωσφολιπίδια. Στεροειδή: Έχουν χαρακτηριστικό σκελετό, που αποτελείται από 4 ενωμένους ανθρακικούς δακτυλίους. Χαρακτηριστικό στεροειδές είναι η χοληστερόλη. 7

9 Κεφ. 2 ο Κύτταρο: Η θεμελιώδης μονάδα της ζωής Η κυτταρική θεωρία αρχικά διατυπώθηκε: Η δομική και λειτουργική μονάδα όλων των οργανισμών είναι το κύτταρο. Κάθε κύτταρο προέρχεται από κύτταρο. Και βελτιώθηκε στη συνέχεια, ώστε να πάρει τη μορφή: Όλοι οι οργανισμοί αποτελούνται από κύτταρα και κυτταρικά παράγωγα. Όλα τα κύτταρα δομούνται από τα ίδια χημικά συστατικά και εκδηλώνουν παρόμοιες μεταβολικές διεργασίες. Η συλλογική δράση και αλληλεπίδραση των κυττάρων έχει σαν αποτέλεσμα τη λειτουργία των οργανισμών. Κάθε κύτταρο προέρχεται από τη διαίρεση άλλου κυττάρου. Τα κύτταρα μπορούν να διακριθούν σε: Προκαρυωτικά, δηλαδή σε κύτταρα που δεν έχουν εσωτερικές μεμβράνες και επομένως και σχηματισμένο πυρήνα και είναι απλούστερα, Και σε ευκαρυωτικά, που έχουν εσωτερικές μεμβράνες και επομένως και σχηματισμένο πυρήνα και θεωρούνται πιο εξελιγμένα. 2.1 Το πορτρέτο του ευκαρυωτικού κυττάρου Τα κύτταρα διαφέρουν σε ιδιότητες όπως: Η κίνηση, Η ύπαρξη ειδικών δομών, Ο τρόπος διατροφής κ.λ.π. Αλλά υπέχουν και ιδιότητες που είναι κοινές για όλα τα κύτταρα, όπως: Η μεταφορά ουσιών στο εσωτερικό τους, Η αλλαγή θέσης των κυτταρικών δομών, όταν είναι απαραίτητο, Οι διάφορες (και πολύπλοκες) βιοχημικές διεργασίες κ.λ.π. Υπολογίζεται ότι στον άνθρωπο υπάρχουν 100 περίπου διαφορετικά είδη κυττάρων. Τυπικό κύτταρο είναι ένα κύτταρο που ουσιαστικά δεν υπάρχει, αλλά περιλαμβάνει ότι θα έπρεπε να έχει ένα κύτταρο και βάση αυτού γίνεται η μελέτη και η περιγραφή των κυττάρων. Μέγεθος κυττάρων Τα κύτταρα Αναταλλάσουν ουσίες με το περιβάλλον τους, Χρήσιμες εισάγονται και Άχρηστες αποβάλλονται. Μέσο της εξωτερικής τους επιφάνειας, η οποία πρέπει να είναι όσο το δυνατό πιο μεγάλη. Ακόμα ανταλλάσσονται μηνύματα 8

10 Μεταξύ του κυττάρου και του περιβάλλοντος, αλλά και Μεταξύ των διαφόρων περιοχών του εσωτερικού του κυττάρου. Αυτή η ανταλλαγή είναι τόσο πιο γρήγορη, όσο πιο μικρός είναι ο όγκος του κυττάρου. Όταν το κύτταρο είναι μικρό τότε έχει αναλογικά μεγάλη επιφάνεια και μικρό όγκο. Πολυπλοκότητα της κατασκευής-διαμερισματοποίηση Το κύτταρο είναι «χωρισμένο» σε διακριτές περιοχές που περιβάλλονται από μεμβράνες και μέσα στις οποίες γίνονται διάφορες δραστηριότητες αυτές, οι περιοχές ονομάζονται κυτταρικά οργανίδια. 2.2 Πλασματική μεμβράνη Δομή πλασματικής μεμβράνης Το μοντέλο της μεμβράνης που είναι αποδεκτό σήμερα είναι το μοντέλο του ρευστού μωσαϊκού, δηλαδή οι μεμβράνες αποτελούνται: Από μια διπλοστοιβάδα φωσφολιπιδίων, ανάμεσα στα οποία Παρεμβάλλονται στεροειδή και Πρωτεΐνες, που ή Βρίσκονται στην επιφάνεια της μεμβράνης ή Βυθίζονται στο εσωτερικής ή Τη διαπερνούν κάθετα Τα υδρόφιλα τμήματα των φωσφολιπιδίων (οι κεφαλές) στρέφονται σε περιοχές που έχουν νερό, δηλαδή προς το εξωτερικό και προς το ενδοκυτταρικό περιβάλλον. Τα υδρόφοβα τμήματα, δηλαδή οι ουρές στρέφονται σε περιοχές που δεν υπάρχει νερό, δηλαδή προς το εσωτερικό της κατασκευής. Η σταθεροποίηση της δομής, χωρίς όμως να γίνεται στατική οφείλεται στις έλξεις των μορίων του νερού και των υδρόφιλων κεφαλών, καθώς και στις έλξεις των υδρόφοβων τμημάτων μεταξύ τους Στη διατήρηση της ρευστότητας της μεμβράνης συμμετέχει το στεροειδές χοληστερόλη. Η ρευστότητα της μεμβράνης έχει να κάνει με τη λειτουργικότητά της. Μεμβράνες που έχουν στερεοποιηθεί χάνουν τη λειτουργικότητά τους, γιατί πολλές από τις πρωτεΐνες τους έχουν αδρανοποιηθεί. Συνοπτικά: Τα φωσφολιπίδια συμμετέχουν στη δημιουργία της βασικής δομής, 9

11 Τα στεροειδή (χοληστερόλη), συμμετέχουν στη ρευστότητα και Οι πρωτεΐνες αποτελούν Ή δομικά συστατικά Ή έχουν λειτουργικό ρόλο όπως Έλεγχο εισόδου-εξόδου ουσιών, Μεταβίβαση μηνυμάτων κ.λ.π. Οι μεμβράνες που έχουν την παραπάνω δομή ονομάζονται απλές στοιχειώδεις μεμβράνες. Λειτουργίες της πλασματικής μεμβράνης Περιβάλλει το κύτταρο και το διαχωρίζει από το εξωτερικό του περιβάλλον. Ελέγχει τις ουσίες που εισέρχονται και εξέρχονται από το κύτταρο. Υποδέχεται και ερμηνεύει μηνύματα από το περιβάλλον. Μεταφορά ουσιών μέσο της πλασματικής μεμβράνης Η μεμβράνη του κυττάρου πρέπει να είναι εκλεκτικά διαπερατή στις διάφορες ουσίες, δηλαδή να ελέγχει ποιες ουσίες πρέπει να τη διαπερνούν εύκολα, ποιες δύσκολα και ποιες καθόλου. Διαφορετικά: Αν ήταν τελείως αδιαπέραστη τότε το κύτταρο δεν θα μπορούσε να προσλάβει τις απαραίτητες ουσίες και να αποβάλλει τις άχρηστες, ενώ Αν ήταν τελείως διαπερατή τότε το κύτταρο δεν θα μπορούσε να διατηρήσει τη χημική του σύσταση. Η μεταφορά ουσιών γίνεται μέσο της μεμβράνης με τρεις κύριους τρόπους: Την παθητική μεταφορά, που διακρίνεται σε: Διάχυση και Ώσμωση Την ενεργητική μεταφορά και Την ενδοκύτωση και εξωκύτωση Παθητική μεταφορά Διάχυση Γίνεται μεταφορά ουσιών από περιοχές υψηλής συγκέντρωσής τους σε περιοχές χαμηλής. Για παράδειγμα το οξυγόνο που έχει μεγάλη συγκέντρωση στο εξωτερικό του κυττάρου, μετακινείται από το εξωτερικό προς το εσωτερικό του κυττάρου. Ώσμωση Στην ώσμωση δεν μπορεί να γίνει μετακίνηση της ουσίας (συνήθως γιατί έχει μεγάλο μοριακό βάρος) από περιοχές υψηλής συγκέντρωσης σε περιοχές χαμηλής συγκέντρωσης, οπότε 10

12 μετακινείται νερό μέσο της μεμβράνης του κυττάρου ώστε να επέλθει ισορροπία. Ενεργητική μεταφορά Αν η μεταφορά ουσιών γινόταν μόνο παθητικά τότε κάποια στιγμή το κύτταρο θα είχε την ίδια συγκέντρωση με το εξωτερικό του περιβάλλον. Για να μπορέσει το κύτταρο να διατηρεί τη σύστασή του πρέπει με κάποιο τρόπο να μπορεί να μεταφέρει ουσίες από περιοχές υψηλής συγκέντρωσης σε περιοχές χαμηλής συγκέντρωσης. Για παράδειγμα μια χρήσιμη ουσία θα πρέπει να μπορεί να τη μεταφέρει από το εξωτερικό του περιβάλλον, που θα είναι σε χαμηλή συγκέντρωση, στο εσωτερικό του. Αυτό γίνεται με την ύπαρξη ειδικού μηχανισμού μεταφοράς, που ονομάζεται ενεργητική μεταφορά. Φυσικά η μεταφορά αυτή απαιτεί την κατανάλωση ενέργειας. Ένας από αυτούς τους μηχανισμούς είναι και η αντλία ιόντων Κ + -Na +. Η αντλία αυτή: Είναι μια διαμεμβρανική πρωτεΐνη, που Για κάθε 3 ιόντα Na που εξάγει, εισάγει 2 ιόντα Κ Υπάρχει σε όλα τα ζωικά κύτταρα και Παίζει σημαντικό ρόλο στη λειτουργία των νευρικών κυττάρων Εκτός από αυτή την αντλία υπάρχουν και άλλες, που κοινό τους χαρακτηριστικό είναι η κατανάλωση ενέργειας. Ενδοκύτωση: Με αυτή τη διαδικασία γίνεται εισαγωγή στο κύτταρο μεγαλομοριακών ουσιών όπως Πρωτεΐνες Πολυσακχαρίτες, αλλά και Ολόκληρων μικροοργανισμών Για θρέψη σε μονοκύτταρους οργανισμούς (π.χ. Didinium) Ή για άμυνα σε πολυκύτταρους (π.χ. λευκά αιμοσφαίρια) Στάδια: Το κυτταρόπλασμα εκτείνει προεκβολές, τα ψευδοπόδια, και περικλείει την ουσία Τα ψευδοπόδια ενώνονται και Η ουσία εισάγεται στο εσωτερικό του κυττάρου με ένα κομμάτι της πλασματικής μεμβράνης, σαν κυστίδιο Εξωκύτωση Αντίστροφη πορεία από αυτή της ενδοκύτωσης. Με τη διαδικασία αυτή απομακρύνονται: Άχρηστα υπολείμματα τροφών 11

13 Τοξικές ουσίες Ουσίες που παράγονται στο κύτταρο και πρέπει να χρησιμοποιηθούν σε άλλο σημείο Στάδια: Η ουσία κλείνεται σε ένα κυστίδιο Το κυστίδιο πλησιάζει την πλασματική μεμβράνη Περιβάλλεται από αυτή Συντήκονται και Η ουσία εξέρχεται στο περιβάλλον Η πλασματική μεμβράνη ως δέκτης μηνυμάτων Ανάμεσα στο κύτταρο και το περιβάλλον (ή και τα γειτονικά κύτταρα) γίνεται διαρκής ανταλλαγή μηνυμάτων, που έχει σαν αποτέλεσμα: Την αναγνώριση των κυττάρων Αν είναι ίδιου τύπου σχηματίζουν ιστούς Αν είναι ξένα (διαφορετικού οργανισμού), γίνεται προσπάθεια καταστροφής τους Το συντονισμό της δράσης τους Την τροποποίηση της λειτουργίας τους Πως γίνεται η λήψη μηνυμάτων; Υπάρχουν στη μεμβράνη ειδικές πρωτεΐνες, υποδοχείς, που είναι συνήθως γλυκοπρωτεΐνες (πρωτεΐνη ενωμένη με πολυσακχαρίτη). Χαρακτηριστικά υποδοχέων Κάθε τύπος κυττάρου έχει ειδικούς υποδοχείς Διαφορετικοί τύποι κυττάρων έχουν διαφορετικούς υποδοχείς, το ίδιο ισχύει και για κύτταρα διαφορετικών οργανισμών Με τους υποδοχείς γίνεται αναγνώριση Κυττάρων και Μηνυμάτων (τα μηνύματα είναι χημικές ουσίες) Η αναγνώριση γίνεται γιατί υπάρχει χημική συγγένεια Μετά την αναγνώριση ενεργοποιείται κάποιος εσωτερικός μηχανισμός και το κύτταρο μεταβάλλει τη λειτουργία του Αν δεν υπάρχει υποδοχέας δεν μπορεί να γίνει αναγνώριση και επομένως το κύτταρο μένει ανεπηρέαστο 2.3 Μια περιήγηση στο εσωτερικό του κυττάρου Στο εσωτερικό του κυττάρου, στο κυτταρόπλασμα, υπάρχουν τα κυτταρικά οργανίδια, που το καθένα είναι υπεύθυνο για συγκεκριμένο ρόλο στο κύτταρο. Πυρήνας Το πιο ευδιάκριτο οργανίδιο των ευκαρυωτικών κυττάρων Κατά κανόνα υπάρχει ένας πυρήνας σε κάθε κύτταρο, με εξαιρέσεις: 12

14 Το Paramecium, με δυο πυρήνες Τα μυϊκά κύτταρα με πολλούς πυρήνες Τα ώριμα ερυθρά αιμοσφαίρια, χωρίς πυρήνα κ.λ.π. Σχήμα σφαιρικό ή ωοειδές, αλλά μπορεί και να ποικίλλει Θέση Περίπου στο κέντρο σε μερικά κύτταρα ή σε οποιοδήποτε σημείο σε άλλα Δομή Περιβάλλεται από τον πυρηνικό φάκελο ή πυρηνική μεμβράνη που Αποτελείται από διπλή στοιχειώδη μεμβράνη, μια εσωτερική μια εξωτερική Και φέρει οπές (τρύπες), τους πόρους της πυρηνικής μεμβράνης, μέσο των οποίων γίνεται η επικοινωνία με το κυτταρόπλασμα Στο εσωτερικό υπάρχει το πυρηνόπλασμα, στο οποίο περιέχονται Η χρωματίνη, που είναι ένα σύμπλεγμα που περιλαμβάνει: Σχεδόν όλο το DNA ενός κυττάρου, ενωμένο με RNA και πρωτεΐνες Η χρωματίνη βρίσκεται σε μορφή νημάτων, εκτός από την περίοδο που το κύτταρο διαιρείται και βρίσκεται με τη μορφή χρωμοσωμάτων Ένας ή περισσότεροι πυρηνίσκοι, που είναι δομές Σφαιρικές και πυκνές στην υφή Δεν περιβάλλονται από μεμβράνη Αποτελούνται από DNA και RNA Σε αυτούς συντίθεται το rrna Και διάφορες χημικές ουσίες, όπως Νουκλεοτίδια, Ένζυμα, Άλλες πρωτεΐνες, κ.λ.π. Ρόλος του πυρήνα Φυλάσσει το γενετικό υλικό, καθορίζει τις ιδιότητες του κυττάρου και ελέγχει τις κυτταρικές λειτουργίες Σε αυτόν αντιγράφεται το γενετικό υλικό και εξασφαλίζεται η μεταβίβαση των πληροφοριών από γενεά σε γενεά Σε αυτόν συντίθενται τα διάφορα είδη RNA Κύτταρα που έχασαν ή τους αφαιρέθηκε ο πυρήνας τους δεν αναπαράγονται και εμφανίζουν μικρό αριθμό μεταβολικών διεργασιών και μικρή διάρκεια ζωής. 13

15 Ενδομεμβρανικό σύστημα Οι εσωτερικές μεμβράνες ενός κυττάρου συγκροτούν ένα ενιαίο δομικά και λειτουργικά σύστημα που περιλαμβάνει το: Ενδοπλασματικό δίκτυο, Σύμπλεγμα Golgi, Λυσοσώματα, Υπεροξειδιοσώματα και Κενοτόπια. Ενδοπλασματικό δίκτυο Περιβάλλεται από απλή στοιχειώδη μεμβράνη και είναι ένα Σύστημα αγωγών και κύστεων που διασχίζει το κυτταρόπλασμα Οι μεμβράνες του αποτελούν πάνω από το 50% των μεμβρανών του κυττάρου και Είναι συνδεμένες μεταξύ τους, με τον πυρήνα και με άλλα οργανίδια και λόγω της σύνδεσης αυτής δρα σαν Κοινός αγωγός μέσο του οποίου μεταφέρονται ουσίες μεταξύ των διαφόρων τμημάτων του κυτταροπλάσματος Οι μεμβράνες χρησιμοποιούνται και για την έδραση διαφόρων ενζύμων Στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο παρουσιάζεται σε δυο μορφές, το: Αδρό ενδοπλασματικό δίκτυο Που φέρει στην επιφάνειά του τα ριβοσώματα, τα οποία: Αποτελούνται από rrna και πρωτεΐνες Δεν περιβάλλονται από μεμβράνη Σε αυτά γίνεται η πρωτεϊνοσύνθεση Ριβοσώματα βρίσκονται και ελεύθερα στο κυτταρόπλασμα και Στους χλωροπλάστες και τα μιτοχόνδρια Μετά τη σύνθεση της πρωτεΐνης αυτή εισέρχεται στο χώρο του αδρού ενδοπλασματικού δικτύου κι τροποποιείται (π.χ. της προστίθενται σάκχαρα) Λείο ενδοπλασματικό δίκτυο Είναι συνέχεια του αδρού Δεν φέρει ριβοσώματα στην επιφάνειά του Έχει περισσότερο σωληνοειδή εμφάνιση Και ο ρόλος του Σχετίζεται με τη σύνθεση λιπιδίων και Εξουδετέρωση τοξικών ουσιών Σύμπλεγμα Golgi Αποτελείται από ομάδες παράλληλων πεπλατυσμένων σάκων που Περιβάλλονται από απλή στοιχειώδη μεμβράνη 14

16 Συγκεντρώνει και τροποποιεί τις πρωτεΐνες από το ενδοπλασματικό δίκτυο Πορεία των πρωτεϊνών Πρώτη περίπτωση Από το ενδοπλασματικό δίκτυο φτάνουν στο Golgi μέσο της φυσικής σύνδεσης με μεμβράνες που έχουν τα δυο οργανίδια ή Δεύτερη περίπτωση Οι πρωτεΐνες παράγονται στα ριβοσώματα Εισέρχονται στο ενδοπλασματικό Συγκεντρώνονται και κλείνονται σε κυστίδια που Αποκόπτονται από το ενδοπλασματικό δίκτυο Φτάνουν στο Golgi και Συγχωνεύονται με τις μεμβράνες του Golgi Εκεί οι πρωτεΐνες επεξεργάζονται επιπλέον Πακετάρονται ξανά σε κυστίδια που Αποκόπτονται από το Golgi και Φτάνουν σε σημεία του κυττάρου που πρόκειται να χρησιμοποιηθούν ή Αποβάλλονται από το κύτταρο. Λυσοσώματα Σφαιρικά οργανίδια Περιβάλλονται από απλή στοιχειώδη μεμβράνη Περιέχουν υδρολυτικά ένζυμα, για την πέψη ουσιών ή και μικροοργανισμών Στα φυτικά κύτταρα ως λυσοσώματα λειτουργούν ορισμένα χυμοτόπια Υπεροξειδιοσώματα Μικρά σφαιρικά κυστίδια Περιβάλλονται από απλή στοιχειώδη μεμβράνη Περιέχουν οξειδωτικά ένζυμα Γίνονται διάφορες μεταβολικές διαδικασίες, όπως η Οξείδωση των λιπαρών οξέων Στα υπατικά κύτταρα γίνεται η μετατροπή του οινοπνεύματος σε ακεταλδεΰδη Μετατρέπεται το υπεροξείδιο του υδρογόνου (που είναι τοξικό) σε νερό και οξυγόνο Κενοτόπια Κάθε κυστίδιο που περιβάλλεται από απλή στοιχειώδη μεμβράνη και περιέχει ένα υδατώδες υγρό Παράδειγμα κενοτοπίου στα ζωικά κύτταρα είναι τα Πεπτικά κενοτόπια, που δημιουργούνται κατά την ενδοκύτωση Παράδειγμα κενοτοπίου στα φυτικά κύτταρα είναι τα 15

17 Χυμοτόπια, που είναι αποθήκες θρεπτικών, χρωστικών, ιόντων, άχρηστων προϊόντων ή και υδρολυτικών ενζύμων Χλωροπλάστες και μιτοχόνδρια (οι μετατροπείς ενέργειας των κυττάρων) Τα κύτταρα χρειάζονται ενέργεια για Να διατηρήσουν τη δομή και Τη λειτουργικότητά τους Η ενέργεια αντλείται από το περιβάλλον Και μετατρέπεται σε μορφή που να μπορεί να χρησιμοποιηθεί από το κύτταρο Χλωροπλάστες Υπάρχουν μόνο στα φωτοσυνθετικά κύτταρα (των φυτών) Μέσα σε αυτούς γίνεται η φωτοσύνθεση Περιβάλλονται από διπλή στοιχειώδη μεμβράνη Στο εσωτερικό τους βρίσκεται το παχύρρευστο στρώμα, στο οποίο υπάρχουν Τα θυλακοειδή, που σχηματίζουν Τα grana, που ενώνονται μεταξύ τους με Τα ελασμάτια Στο στρώμα βρίσκεται ακόμα DNA Ένζυμα και Ριβοσώματα Που επιτρέπουν στο χλωροπλάστη να συνθέτει μερικές από τις πρωτεΐνες του Να διπλασιάζεται ανεξάρτητα από διπλασιασμό του κυττάρου και Να έχει μερική αυτονομία. Οι χλωροπλάστες ανήκουν σε μια κατηγορία οργανιδίων που λέγονται πλαστίδια. Άλλα πλαστίδια είναι Οι αμυλοπλάστες (άχρωμοι, περιέχουν άμυλο) και Οι χρωμοπλάστες (περιέχουν χρωστικές) Μιτοχόνδρια Υπάρχουν σε όλα τα ευκαρυωτικά κύτταρα, με εξαίρεση τα ώριμα ερυθρά αιμοσφαίρια. Σε αυτά γίνεται μετατροπή ενέργειας. Σχήμα Επιμήκες Σφαιρικό Ωοειδές 16

18 Γενικά ποικίλλει Αριθμός Ποικίλλει Περιβάλλονται από διπλή στοιχειώδη μεμβράνη Η εξωτερική είναι λεία Η εσωτερική έχει αναδιπλώσεις, που πάνω τους βρίσκονται ένζυμα Ο εσωτερικός χώρος καλύπτεται από την παχύρρευστη μήτρα του μιτοχονδρίου. Στη μήτρα βρίσκονται DNA Ένζυμα και Ριβοσώματα Που επιτρέπουν στο μιτοχόνδριο να συνθέτει μερικές από τις πρωτεΐνες του, Να διπλασιάζεται ανεξάρτητα από διπλασιασμό του κυττάρου και Να έχει μερική αυτονομία. Κυτταρικός σκελετός Το κυτταρόπλασμα διασχίζεται από ένα πολύπλοκο πλέγμα ινιδίων, που συγκροτούν τον κυτταρικό σκελετό. Αυτά είναι Τα μικροϊνίδια (ακτίνης) Οι μικροσωληνίσκοι και Τα ενδιάμεσα ινίδια Ρόλος Μηχανική υποστήριξη των κυττάρων Διατήρηση του σχήματος των κυττάρων Αλλαγή σχήματος του κυττάρου (αν είναι απαραίτητο) Συγκράτηση των κυτταρικών οργανιδίων στη θέση τους Κίνηση των κυτταρικών οργανιδίων μέσα στο κύτταρο (αν είναι απαραίτητο) Κίνηση του ίδιου του κυττάρου (αν είναι απαραίτητο) Στα ζωικά κύτταρα υπάρχει το κεντροσωμάτιο, που σχηματίζεται από Μικροσωληνίσκους Αποτελείται από 2 κεντρύλλια και Συμβάλλει στην κυτταρική διαίρεση Κυτταρικό τοίχωμα Βρίσκεται στα φυτικά κύτταρα Εξωτερικά της πλασματικής μεμβράνης Αποτελείται από διάφορους πολυσακχαρίτες, με κυριότερο την κυτταρίνη Είναι συμπαγές και ισχυρό 17

19 Προστατεύει από διάρρηξη (σκάσιμο) του φυτικού κυττάρου (όταν το κύτταρο βρίσκεται σε υποτονικό περιβάλλον) Προσδίδει ανθεκτικότητα και ελαστικότητα και Υποστηρίζει όλο το φυτό Είναι δομικό στοιχείο διάκρισης μεταξύ ζωικών και φυτικών κυττάρων 18

20 Κεφ. 3 ο Μεταβολισμός Ενέργεια και οργανισμοί Όλοι οι οργανισμοί χρειάζονται ενέργεια για τις διάφορες λειτουργίες τους όπως Κίνηση, Αναπαραγωγή, Ανάπτυξη κ.λ.π. Την ενέργεια αυτή την εξασφαλίζουν ή Τρώγοντας άλλους οργανισμούς (και διασπούν τις θρεπτικές ουσίες που περιέχονται μέσα σε αυτούς) ή Με τη δέσμευση της ηλιακής ακτινοβολίας και με τη βοήθεια απλών ενώσεων συνθέτουν τις θρεπτικές ουσίες που τους είναι απαραίτητες. Την ενέργεια και τα υλικά που λαμβάνουν οι οργανισμοί από το περιβάλλον δεν μπορούν να τα χρησιμοποιήσουν άμεσα, αλλά πρέπει να τα μετατρέψουν πρώτα σε άλλες μορφές και Στη συνέχεια θα χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή των απαραίτητων στοιχείων του οργανισμού. Το σύνολο όλων αυτών των αντιδράσεων το ονομάζουμε μεταβολισμό. Με το μεταβολισμό τα κύτταρα και κατ επέκταση οι οργανισμοί Διατηρούν σταθερές τις συνθήκες λειτουργίας τους. Ο μεταβολισμός περιλαμβάνει δυο σκέλη Τον καταβολισμό Που περιλαμβάνει τις αντιδράσεις διάσπασης πολύπλοκων ενώσεων σε απλές και έχουμε απόδοση ενέργειας. Οι αντιδράσεις που αποδίδουν ενέργεια λέγονται εξώθερμες. Τον αναβολισμό Που περιλαμβάνει τις αντιδράσεις σύνθεσης πολύπλοκων από άλλες πιο απλές ενώσεις και συνήθως έχουμε κατανάλωση ενέργειας. Οι αντιδράσεις που καταναλώνουν ενέργεια λέγονται ενδόθερμες. Η ενέργεια που παράγεται στα κύτταρα των οργανισμών αποθηκεύεται σαν χημική ενέργεια με τη μορφή των χημικών δεσμών στα βιομόρια. Οι δεσμοί για να σχηματιστούν απαιτούν ενέργεια την οποία Αποδίδουν όταν διασπαστούν 19

21 Μεταφορά ενέργειας στα κύτταρα Στα κύτταρα η ενέργεια παράγεται με τη διάσπαση χημικών δεσμών στις εξώθερμες αντιδράσεις και Καταναλώνεται με τη δημιουργία χημικών δεσμών στις ενδόθερμες αντιδράσεις. Η μεταφορά της ενέργειας από την περιοχή παραγωγής στην περιοχή κατανάλωσης γίνεται με τη σύζευξη εξώθερμων με ενδόθερμες αντιδράσεις. Δηλαδή Ενέργεια αποδίδεται από μια εξώθερμη αντίδραση Ένα μέρος της αποβάλλεται σαν θερμότητα στο περιβάλλον και το υπόλοιπο Χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ενός χημικού δεσμού (σε μια ενδόθερμη αντίδραση) και αποθηκεύεται με αυτή τη μορφή. Με διαδοχικές εξώθερμες ενδόθερμες αντιδράσεις γίνεται η μεταφορά της ενέργειας. Για τη μεταφορά της ενέργειας από μια εξώθερμη αντίδραση σε μια ενδόθερμη χρησιμοποιείται κυρίως το μόριο τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP), που είναι Τριφωσφορικό νουκλεοτίδιο και Οι τρεις φωσφορικές ομάδες βρίσκονται σε σειρά και Οι δεσμοί τους (κυρίως οι δυο τελευταίοι) περικλείουν μεγάλα ποσά ενέργειας (δεσμοί υψηλής ενέργειας) και o Μπορούν να δημιουργηθούν και καταστραφούν εύκολα, λαμβάνοντας ή αποδίδοντας ενέργεια Το ATP Παραλαμβάνει, Μεταφέρει και Αποδίδει Ενέργεια σε οποιοδήποτε σημείο του κυττάρου Αυτό το καταφέρνει λόγω της δομής του Μπορεί να σχηματιστεί από ADP (διφωσφορική αδενοσίνη) με την προσθήκη μιας φωσφορικής ομάδας και με την προσφορά ενέργεια Και να αποδόσει την ενέργεια μετατρεπόμενο σε ADP (αμφίδρομη αντίδραση). Για το λόγο αυτό (μεταφορά ενέργειας) χαρακτηρίζεται και σαν ενεργειακό νόμισμα του κύτταρου. Γενικά το σύστημα ATP ADP μπορεί να χαρακτηριστεί σαν ένα είδος μπαταρίας, όπου Η φόρτιση γίνεται με μετατροπή του ADP σε ΑΤΡ (πρόσληψη ενέργειας) και 20

22 Η αποφόρτιση γίνεται με μετατροπή του ΑΤΡ σε ADP (απόδοση ενέργειας) Η ενέργεια στα κύτταρα προέρχεται Από τη φωτοσύνθεση, με μετατροπή της φωτινής ενέργειας σε χημική και Με τη διάσπαση των οργανικών ενώσεων, όπως η οξείδωση της γλυκόζης. Μερικά νούμερα Το ΑΤΡ διασπάται μέσα σε ένα λεπτό από τη σύνθεσή του. Κάθε άνθπωπος (βάρος 70kg) καταναλώνει, σε ανάπαυση, περίπου 40kg ΑΤΡ, σε 24 ώρες. Το ποσό του ΑΤΡ, που βρίσκεται στο σώμα κάθε στιγμή, δεν ξεπερνά το 1g. Κάθε δευτερόλεπτο παράγονται 10 εκατομμύρια μόρια ΑΤΡ και υδρολύονται άλλα τόσα. Ένζυμα βιολογικοί καταλύτες Μηχανισμός δράσης των ενζύμων Για να πραγματοποιηθούν οι χημικές αντιδράσεις, ακόμα και οι εξώθερμες, πρέπει πρώτα να δοθεί στα αντιδρώντα μόρια μια ποσότητα ενέργειας, που ονομάζεται ενέργεια ενεργοποίησης. Το πρόβλημα: Στο περιβάλλον ή στο χημικό εργαστήριο η ενέργεια αυτή δίνεται με τη μορφή θερμότητας, που για το κύτταρο θα ήταν καταστροφική. Ακόμα ο χρόνος για την ολοκλήρωση της αντίδρασης θα ήταν πολύ μεγάλος, πράγμα επίσης απαγορευτικό για το κύτταρο που πρέπει να καλύψει τις ανάγκες του άμεσα. Το κύτταρο λύνει το πρόβλημα με τη βοήθεια ειδικών πρωτεϊνών, των ενζύμων, που μπορούν και χαμηλώνουν την ενέργεια ενεργοποίησης και οι αντιδράσεις γίνονται Σε περιβάλλον και θερμοκρασίες κατάλληλες για το κύτταρο και Σε πολύ μικρά χρονικά διαστήματα. Τα ένζυμα Καταλύουν αντιδράσεις που γίνονται και χωρίς αυτά, όμως Με τα ένζυμα γίνονται μέχρι και 100 εκατομμύρια φορές πιο γρήγορα Αυτό γίνεται με κατάλληλο προσανατολισμό των αντιδρώντων μορίων ή μορίων υποστρωμάτων στο Ενεργό κέντρο του ενζύμου, που είναι Μια μικρή περιοχή, στην οποία τα αντιδρώντα ταιριάζουν σαν το κλειδί στην κλειδαριά 21

23 Η σύνδεση υποστρωμάτων - ενεργού κέντρου έχει σαν αποτέλεσμα να γίνονται ασταθείς οι δεσμοί των μορίων του υποστρώματος και να σπάνε πιο εύκολα. Συχνά το ενεργό κέντρο αποκτά συμπληρωματικό σχήμα με τα αντιδρώντα. Ιδιότητες των ενζύμων Τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες και έχουν ανάλογες ιδιότητες Η καταλυτική δράση καθορίζεται από την τριτοταγή δομή. Δρουν πολύ γρήγορα. Δεν συμμετέχουν στην αντίδραση που καταλύουν και μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολλές φορές. Εμφανίζουν υψηλό βαθμό εξειδίκευσης, δηλαδή, συνήθως δρουν σε ένα είδος υποστρώματος, που οφείλεται Στη διάταξή τους στο χώρο και Στη δυνατότητα σύνδεσης ενεργού κέντρου υποστρώματος. Η δραστικότητά τους επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες όπως Θερμοκρασία, ρh κ.α. Τα ένζυμα διακρίνονται σε Ενδοκυτταρικά, αν δρουν μέσα στα κύτταρα του οργανισμού και Εξωκυτταρικά, αν εκκρίνονται έξω από τα κύτταρα, σε κοιλότητες όπως το στομάχι Μέσα στο κύτταρο τα ένζυμα βρίσκονται ελεύθερα ή δεσμευμένα σε μεμβράνες και Συνήθως λειτουργούν σε ομάδες, όπου το προϊόν της αντίδρασης του ενός είναι υπόστρωμα για το άλλο. Με το τρόπο αυτό εξυπηρετούνται σειρές βιοχημικών αντιδράσεων, που λέγονται μεταβολικές οδοί. Τα ένζυμα ονομάζονται συνήθως με την κατάληξη άση, στο όνομα του υποστρώματος ή της αντίδρασης που καταλύουν. Παράγοντες που επηρεάζουν τη δράση των ενζύμων Τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες, έχουν συγκεκριμένη δομή στο χώρο και αυτό καθορίζει τη λειτουργία τους, επομένως παράγοντες που επηρεάζουν τη δομή των πρωτεϊνών, επηρεάζουν και τη λειτουργία των ενζύμων. Θερμοκρασία Όπως και στις χημικές αντιδράσεις η ταχύτητα αντίδρασης μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία. Για κάθε ένζυμο υπάρχει μια θερμοκρασία (άριστη) που η ταχύτητα αντίδρασης είναι η μέγιστη. 22

24 Τα περισσότερα ένζυμα έχουν άριστη θερμοκρασία μεταξύ ο, που είναι και η θερμοκρασία του σώματος. Από τη θερμοκρασία των 50 ο και πάνω, η ταχύτητα μειώνεται, γιατί η πρωτεΐνη αρχίζει να χάνει την τριτοταγή της δομή και επομένως τη λειτουργικότητά της. Το φαινόμενο αυτό συνήθως είναι και μόνιμο (δεν επανέρχεται η δραστικότητα του ενζύμου με ελάττωση της θερμοκρασίας). ph Για κάθε ένζυμο υπάρχει μια ορισμένη τιμή ph (άριστη), στην οποία η ταχύτητα αντίδρασης είναι μέγιστη. Για τα περισσότερα ένζυμα η τιμή αυτή είναι μεταξύ 5-9. Τα ενδοκυτταρικά ένζυμα δρουν συνήθως σε ph 7. Τα ένζυμα που εκκρίνονται σε κοιλότητες έχουν διαφορετική συμπεριφορά, όπως τα Πεπτικά ένζυμα που δρουν σε ph 2 (πεψίνη) ή Η θρυψίνη που έχει άριστο ph 8,5. Ισχυρά όξινο ή αλκαλικό ph, μπορεί να προκαλέσει μερική ή ολική καταστροφή τους. Συγκέντρωση υποστρώματος Η αύξηση του υποστρώματος οδηγεί σε αύξηση της ταχύτητας αντίδρασης, μέχρι ένα σημείο. Όταν καλυφθούν εντελώς τα ενεργά κέντρα όλων των μορίων του ενζύμου, τότε όσο και να αυξηθεί η συγκέντρωση υποστρώματος δεν έχουμε αύξηση της ταχύτητας, γιατί τα επιπλέον αντιδρώντα πρέπει να περιμένουν να ελευθερωθούν τα ενεργά κέντρα. Συγκέντρωση ενζύμου Με αύξηση της ποσότητας του ενζύμου έχουμε αύξηση της ταχύτητας αντίδρασης (για συγκεκριμένη συγκέντρωση υποστρώματος, τιμή ph, θερμοκρασίας κ.λ.π.) Αναστολείς της δράσης των ενζύμων Αναστολείς είναι οι ουσίες που εμποδίζουν τη δράση των ενζύμων. Διακρίνονται σε Μη αντιστρεπτούς, που συνδέονται μόνιμα με το ένζυμο, όπως Διάφορα αέρια (εντομοκτόνα κ.λ.π.) και Ιόντα μετάλλων (Hg +2, Pb +2, Ag + ) Αντιστρεπτούς, που εμποδίζουν μόνο παροδικά τη δράση των ενζύμων. Ακόμα, σε μια σειρά βιοχημικών αντιδράσεων η συσσώρευση του προϊόντος μιας από αυτές, μπορεί να προκαλέσει προσωρινή αναστολή της δράσης ενός αρχικού ενζύμου (αναδραστική αναστολή). 23

25 Συμπαράγοντες ενζύμων Πολλά ένζυμα είναι δραστικά μόνο αν είναι ενωμένα με μια μη πρωτεϊνική ουσία, όπως Ανόργανα ιόντα ή Διάφορες οργανικές ενώσεις, τα συνένζυμα. Για να λειτουργήσει το ένζυμο πρέπει να συνδεθεί με το συνένζυμο, διαφορετικά είναι ανενεργό. Πολλά συνένζυμα είναι βιταμίνες ή περιέχουν στο μόριό τους βιταμίνες. 24

26 Κεφ. 4 ο : Γενετική Κύκλος ζωής του κυττάρου (ή κυτταρικός κύκλος) Είναι το χρονικό διάστημα μεταξύ δυο διαδοχικών κυτταρικών διαιρέσεων. Διακρίνεται σε δυο επιμέρους φάσεις, τη μεσόφαση και τη μίτωση, που με τη σειρά τους διακρίνονται σε: Μεσόφαση (περίοδος «προετοιμασίας» του κυττάρου για τη διαίρεση που θα ακολουθήσει) G1 S G2 Μίτωση (περίοδος στην οποία γίνεται η διαίρεση του γενετικού υλικού και όχι του κυττάρου) Πρόφαση Μετάφαση Ανάφαση Τελόφαση Συνοπτικά: Το κύτταρο «θέλει» να διαιρεθεί και να δώσει απογόνους. Πρέπει να δώσει σε κάθε νέο- θυγατρικό κύτταρο ως προίκα την ίδια ποσότητα γενετικού υλικού-dna. Άρα: αρχικά διπλασιάζει το DNA του (αυτό γίνεται κατά τη φάση S της μεσόφασης), στη συνέχεια, μοιράζει το διπλασιασμένο-dna σε δύο ίσα μέρη, αυτές οι ίσες ποσότητες DNA πηγαίνουν προς τα δυο αντίθετα άκρα του κυττάρου (αυτά τα γεγονότα γίνονται κατά τη διάρκεια της μίτωσης), στη συνέχεια, το κύτταρα διαιρείται στα δυο και προκύπτουν νέα θυγατρικά κύτταρα (αυτή η ολοκλήρωση της διαίρεσης του κυττάρου σε δυο τμήματα λέγεται κυτοκίνηση) Το κεντρικό δόγμα της μοριακής βιολογίας Αρχικά πιστευόταν ότι το DNA αντιγράφεται, μεταγράφεται σε RNΑ και το RNA μεταφραζόταν σε πρωτεΐνες. Αυτό αποτέλεσε την έκφραση του κεντρικού δόγματος της μοριακής βιολογίας και θεωρήθηκε ότι η πορεία της γενετικής πληροφορίας είναι μονόδρομος. Όμως, βρέθηκε ότι κάποιοι ιοί που περιέχουν RNA ως γενετικό υλικό, έχουν την ικανότητα να σχηματίζουν DNA με καλούπι το RNA τους. Επίσης, άλλοι ιοί, βρέθηκε ότι έχουν την ικανότητα να αντιγράφουν το RNA τους. Επομένως, το κεντρικό 25

27 δόγμα της μοριακής βιολογίας άλλάξε και έχει πλέον την παρακάτω μορφή. Αντιγραφή του DNA Συμβαίνει πάντα πριν τη διαίρεση κάθε κυττάρου. Είναι απαραίτητη διαδικασία για να προκύψει η ίδια (σε ποσότητα και ποιότητα) γενετική πληροφορία στα δυο νέα θυγατρικά κύτταρα. Ο μηχανισμός αντιγραφής του DNA είναι ημισυντηρητικός, δηλαδή κάθε αλυσίδα αποτελεί το καλούπι - μήτρα από την οποία προκύπτει μια νέα συμπληρωματική. Στηρίζεται στη συμπληρωματικότητα των βάσεων του μορίου. Αρχικά μελετήθηκε σε βακτήρια, γιατί είναι πιο εύκολο πειραματικό υλικό. Σύνοψη της αντιγραφής: Σε κάποια περιοχή του μορίου (θέση έναρξης αντιγραφής) σπάνε οι δεσμοί υδρογόνου που συγκρατούν τις δυο αλυσίδες και αυτές απομακρύνονται. Οι δεσμοί υδρογόνου σπάνε με τη βοήθεια ειδικών ενζύμων. Στη συνέχεια, το κύριο ένζυμο της αντιγραφής, η DNA πολυμεράση, αρχίζει να «διαβάζει» την παλιά αλυσίδα και να τοποθετεί συμπληρωματικά νουκλεοτίδια σε μια νέα που σχηματίζεται απέναντι από την παλιά. DNA πολυμεράσες κάνουν την ίδια εργασία σε κάθε μια από τις παλιές αλυσίδες. Στο τέλος, έχουν σχηματιστεί δυο μόρια DNA, που αποτελούνται από μια παλιά αλυσίδα και μια νέα. Τα δυο μόρια DNA που σχηματίστηκαν είναι ίδια μεταξύ τους, καθώς και με το αρχικό από το οποίο προέκυψαν. Για να συμβεί αυτό η ίδια η DNA πολυμεράση ελέγχει τον εαυτό της, ενώ στο τέλος άλλα ένζυμα κάνουν τον τελικό έλεγχο. (το σφάλμα της αντιγραφής υπολογίζεται ότι είναι μικρότερο από 1 στα νουκλεοτίδια!!!) Μεταγραφή του DNA Είναι μια διαδικασία με την οποία προκύπτουν RNA από το DNA. Τα RNA που προκύπτουν μπορεί να είναι: - mrna (αγγελιοφόρο), που μεταφέρει τη γενετική πληροφορία από τον πυρήνα, που βρίσκεται το DNA στο κυτταρόπλασμα, που βρίσκονται τα ριβοσώματα. 26