Βιολογία Γ Εσπερινού Κεφάλαιο 2ο Κύτταρο: H θεμελιώδης μονάδα της ζωής

Transcript

1 Βιολογία Γ Εσπερινού Κεφάλαιο 2ο Κύτταρο: H θεμελιώδης μονάδα της ζωής Μεμβράνες βρίσκονται παντού σε ένα ευκαρυωτικό κύτταρο: Μεμβράνη περιβάλει το εξωτερικό του κυττάρου, μεμβράνη περιβάλει το γενετικό υλικό, μεμβράνες διασχίζουν το κυτταρόπλασμα απ άκρη σε άκρη, διαχωρίζοντας το εσωτερικό του κυττάρου σε κυτταρικά «διαμερίσματα», που λέγονται κυτταρικά οργανίδια. Η πλασματική μεμβράνη Η εξωτερική μεμβράνη του κυττάρου που λέγεται και πλασματική μεμβράνη, έχει 3 κύριες λειτουργίες: 1) οριοθετεί το κύτταρο, το ξεχωρίζει δηλαδή από τα γειτονικά του κύτταρα 2) ελέγχει τις ουσίες που εισέρχονται και εξέρχονται από το κύτταρο και 3) δέχεται και ερμηνεύει τα μηνύματα από το εξωτερικό περιβάλλον. Οι μεμβράνες του κυττάρου διαθέτουν πρωτεΐνες και λιπίδια. Για τις λειτουργίες αυτές, σημαντικότερα μόρια είναι οι πρωτεΐνες. Αυτές συχνά, βρίσκονται ενωμένες με σάκχαρα και λέγονται γλυκοπρωτεΐνες. Σύμφωνα με το μοντέλο του ρευστού μωσαϊκού που δεχόμαστε σήμερα για τη δομή της μεμβράνης, τα φωσφολιπίδια της μεμβράνης φτιάχνουν 2 στιβάδες (λιπιδική διπλοστιβάδα), κατά τέτοιο τρόπο ώστε οι υδρόφιλες κεφαλές των μορίων να στρέφονται στο εξωτερικό και στο εσωτερικό της κατασκευής. Οι πρωτεΐνες είτε θα «κολυμπάνε» πάνω στο στρώμα αυτό, είτε θα βυθίζονται, είτε θα το διαπερνούν. Οι έλξεις ανάμεσα στις υδρόφιλες κεφαλές και το νερό, αλλά και οι έλξεις ανάμεσα στις υδρόφοβες κεφαλές από την άλλη που αναπτύσσονται στο εσωτερικό της διπλοστιβάδας κάνουν την κατασκευή σταθερή αλλά όχι στατική. Στα ζωικά κύτταρα η πλασματική μεμβράνη περιέχει και χοληστερόλη για να γίνεται πιο ρευστή. Η χοληστερόλη παρεμβάλλεται ανάμεσα στα μόρια των φωσφολιπιδίων. Mεταφορά ουσιών Με τρείς κύριους τρόπους μεταφέρονται οι ουσίες μέσω της μεμβράνης. Με παθητική μεταφορά, δηλαδή χωρίς κατανάλωση ενέργειας (ώσμωση - διάχυση), με ενεργητική μεταφορά (δηλαδή με κατανάλωση ενέργειας) και με ενδοκύττωση - εξωκύττωση (διαδικασίες που απαιτούν επίσης κατανάλωση ενέργειας). Κυτταρικά οργανίδια Πυρήνας Ο πυρήνας είναι το πιο σημαντικό οργανίδιο του κυττάρου γιατί κάνει τις εξής λειτουργίες: 1) φυλάσσει μέσα του το DNA, δηλαδή το γενετικό υλικό, 2) στο εσωτερικό του διπλασιάζεται το DNA, 3) συνθέτει στο εσωτερικό του τα διάφορα είδη RNAs. Ο πυρήνας είναι σημαντικός για την ζωή του κυττάρου και βρίσκεται μόνο στα ευκαρυωτικά κύτταρα (φυσικά και ζωικά). Βρίσκεται περίπου στο κέντρο του κυττάρου, έχει δύο μεμβράνες που τις λέμε πυρηνικές μεμβράνες που κατά διαστήματα συντήκονται σχηματίζοντας πόρους που λέγονται πυρηνικοί πόροι μέσα από τους οποίους μπαινοβγαίνουν μακρομόρια, εξασφαλίζοντας με τον τρόπο αυτόν την επικοινωνία πυρήνα-κυτταροπλάσματος. Στο εσωτερικό του πυρήνα που λέγεται 1

2 πυρηνόπλασμα βρίσκεται το DNA το οποίο σε μερικές περιοχές είναι μαζεμένο και μοιάζει σαν σφαίρα και το λέμε πυρηνίσκο (δεν περιβάλλεται από στοιχειώδη μεμβράνη). Σ αυτόν φτιάχνεται το rrna, δηλαδή το ριβοσωμικό RNA. Μερικά κύτταρα έχουν δύο πυρήνες όπως το κύτταρο του πρωτόζωου Παραμέτσιουμ (Paramecium), άλλα έχουν πολυάριθμους πυρήνες όπως τα μυϊκά κύτταρα κι άλλα δεν έχουν καθόλου πυρήνα όπως τα ερυθρά αιμοσφαίρια στον άνθρωπο. Ενδομεμβρανικό σύστημα Οι μεμβράνες στο εσωτερικό του κυττάρου αποτελούν το ενδομεμβρανικό σύστημα που περιλαμβάνει τα εξής οργανίδια: το ενδοπλασματικό δίκτυο, το σύμπλεγμα Golgi, τα λυσοσώματα, τα υπεροξειδιοσώματα και τα κενοτόπια. Ενδοπλασματικό δίκτυο Το ενδοπλασματικό δίκτυο θα μπορούσαμε να το παρομοιάσουμε σαν έναν λαβύρινθο στο εσωτερικό του κυττάρου. Πρόκειται δηλαδή για ένα πολυδαίδαλο σύνολο αγωγών και κύστεων που διασχίζει το κυτταρόπλασμα, και οι μεμβράνες του συνδέονται με τις μεμβράνες άλλων οργανιδίων, με τις πυρηνικές μεμβράνες αλλά και με την πλασματική μεμβράνη. Χωρίζεται σε αδρό ενδοπλασματικό δίκτυο και σε λείο ενδοπλασματικό δίκτυο. Το αδρό ενδοπλασματικό δίκτυο περιέχει στην εξωτερική επιφάνεια των μεμβρανών του τα ριβοσώματα (αποτελούνται από rrna και πρωτεΐνες) και σε αυτά γίνεται η πρωτεϊνοσύνθεση, ενώ το λείο ενδοπλασματικό δίκτυο δεν έχει ριβοσώματα και ο ρόλος του σχετίζεται με τη σύνθεση λιπιδίων και την εξουδετέρωση βλαβερών ουσιών για το κύτταρο. Σύμπλεγμα Golgi Το σύμπλεγμα Golgi είναι ένα σύνολο πεπλατυσμένων κυστιδίων, στο εσωτερικό των οποίων τροποποιούνται οι πρωτεΐνες του κυττάρου (κυρίως με την προσθήκη σακχάρων). Συνεχίζεται και ολοκληρώνεται δηλαδή η χημική επεξεργασία των πρωτεϊνών στο εσωτερικό του κυττάρου που είχε προηγουμένως αρχίσει στο ενδοπλασματικό δίκτυο, Λυσοσώματα Τα λυσοσώματα είναι σφαιρικά οργανίδια που περιέχουν υδρολυτικά ένζυμα και ο σκοπός τους είναι η πέψη μεγαλομοριακών ουσιών που προέρχονται από το εσωτερικό η το εξωτερικό του κυττάρου. Αντίστοιχο ρόλο στην περίπτωση των φυτικών κυττάρων παίζουν ορισμένα χυμοτόπια. Υπεροξειδιοσώματα Τα υπεροξειδιοσώματα είναι κι αυτά μικρά σφαιρικά κυστίδια που περιέχουν την υπεροξειδάση, ένα ένζυμο που διασπά το υπεροξείδιο του υδρογόνου που παράγεται από τις αντιδράσεις του μεταβολισμού των κυττάρων και ένζυμα που σχετίζονται με τη μετατροπή του οινοπνεύματος σε ακεταλδεΰδη. Αποτοξινώνεται έτσι ο οργανισμός μας από το βλαβερό οινόπνευμα που πίνουμε. Τα οργανίδια αυτά βρίσκονται σε μεγάλη συγκέντρωση στα ηπατικά και νεφρικά κύτταρα. 2

3 Κενοτόπια Τέλος, τα κενοτόπια είναι κυστίδια που περιέχουν ένα υδατοειδές υγρό και στην περίπτωση των ζωικών κυττάρων ονομάζονται πεπτικά κενοτόπια (δημιουργούνται κατά την ενδοκύττωση μικροβίων και σωματιδίων τροφής) ενώ στην περίπτωση των φυτικών κυττάρων ονομάζονται χυμοτόπια (που αποτελούν αποθήκες θρεπτικών ουσιών, ιόντων κ.α). Μιτοχόνδρια- Χλωροπλάστες Τα μιτοχόνδρια και χλωροπλάστες είναι δύο σημαντικά οργανίδια που σκοπός τους είναι να μετατρέψουν την ενέργεια που προσλαμβάνουν τα κύτταρα από το περιβάλλον τους σε μορφή αξιοποιήσιμη από το κύτταρο. Έτσι, τα μιτοχόνδρια μετατρέπουν την χημική ενέργεια των κυττάρων σε ATP, (το ενεργειακό δηλαδή νόμισμα των κυττάρων), ενώ οι χλωροπλάστες μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε χημική (συνθέτοντας γλυκόζη η οποία στη συνέχεια τροφοδοτεί το κύτταρο) παράγοντας πάλι ενέργεια με την μορφή του ATP. Τα δύο αυτά οργανίδια παρουσιάζουν ομοιότητες στην δομή αλλά και διαφορές όπως αυτές αναφέρονται στον παρακάτω πίνακα: Μιτοχόνδρια Έχουν διάφορα σχήματα συνήθως επίμηκες, ωοειδές ή σφαιρικό Έχουν 2 μεμβράνες την εξωτερική και την εσωτερική που αναδιπλώνεται δημιουργώντας πτυχές Το εσωτερικό τους λέγεται μήτρα και έχει DNA που τους εξασφαλίζει σχετική αυτονομία (ημιαυτόνομο οργανίδιο), ένζυμα και ριβοσώματα Παράγουν χημική ενέργεια για το κύτταρο από την τροφή Βρίσκονται στο κυτταρόπλασμα και των φυτικών και των ζωικών κυττάρων Χλωροπλάστης Έχουν επίμηκες σχήμα Έχουν 2 μεμβράνες την εξωτερική και την εσωτερική που σχηματίζει πεπλατυσμένα κυστίδια τα θυλακοειδή που βρίσκονται το ένα πάνω στα άλλο και κάνουν σωρούς που τους λέμε grana. Τα ελασμάτια, συνδέουν τα grana μεταξύ τους. Το εσωτερικό τους λέγεται στρώμα και έχει DNA που τους εξασφαλίζει σχετική αυτονομία (ημιαυτόνομο οργανίδιο), ένζυμα και ριβοσώματα Παράγουν χημική ενέργεια για το κύτταρο από το φως με την φωτοσύνθεση Βρίσκονται στο κυτταρόπλασμα μόνο στα φυτικά κύτταρα των πράσινων μερών των φυτών Κυτταρικός σκελετός Ο κυτταρικός σκελετός είναι ένα πλέγμα ινιδίων μακροινιδίων, μικροϊνιδίων, ενδιάμεσων ινιδίων και μικροσωληνίσκων), χάρη στα οποία τα κύτταρα διατηρούν το σχήμα τους, το μεταβάλλουν, συγκρατούν τα οργανίδια στη θέση τους αλλά και τα βοηθούν να μετακινούνται στο εσωτερικό του κυττάρου. Κυτταρικό τοίχωμα Το κυτταρικό τοίχωμα είναι ένα περίβλημα έξω από την κυτταρική μεμβράνη, βρίσκεται μόνο στα φυτικά κύτταρα και αποτελείται από διάφορους πολυσακχαρίτες κυριότερος απ τους οποίους είναι η κυτταρίνη. Το κυτταρικό τοίχωμα προστατεύει το φυτικό κύτταρο 3

4 από διάρρηξη, του προσδίδει ανθεκτικότητα και η ελαστικότητα αλλά και προσφέρει «σκελετική» στήριξη στον φυτικό οργανισμό. Κεφάλαιο 3ο Μεταβολισμός Μηχανισμός δράσης των ενζύμων Τα ένζυμα είναι ειδικές πρωτεΐνες που καταλύουν τις αντιδράσεις που πραγματοποιούνται στα κύτταρά μας, δηλαδή αυξάνουν την ταχύτητά τους. Επιπλέον, οι αντιδράσεις αυτές πραγματοποιούνται στη θερμοκρασία του σώματός μας. Αυτό κατορθώνεται χάρη στη μείωση της ενέργειας ενεργοποίησης, δηλαδή της ενέργειας που χρειάζονται τα αντιδρώντα μόρια για να αντιδράσουν μεταξύ τους. Σε μια ενζυμική αντίδραση, τα αντιδρώντα μόρια που ονομάζονται υποστρώματα, δεσμεύονται πάνω σε μία ειδική θέση του ενζύμου που ονομάζεται ενεργό κέντρο του ενζύμου. Η σύνδεση μεταξύ ενζύμου και υποστρώματος είναι τόσο ειδική ώστε μπορούμε να την παρομοιάσουμε με το ταίριασμα του κλειδιού μόνο σε μία συγκεκριμένη κλειδαριά. Με τον τρόπο αυτό, οι δεσμοί μεταξύ των αντιδρώντων μορίων γίνονται ασταθείς, σπάνε εύκολα δηλαδή, γεγονός που αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση για το σχηματισμό των προϊόντων. Όπως είχαμε αναφέρει στην αρχή, τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες και σαν πρωτεΐνες διαθέτουν μια συγκεκριμένη τριτοταγή δομή. Χάρη στη δομή αυτή τα ένζυμα μπορούν και καταλύουν τις χημικές αντιδράσεις. Τα ένζυμα επίσης δρουν ταχύτατα, παραμένουν ποιοτικά και ποσοτικά αναλλοίωτα μετά το τέλος της αντίδρασης, εμφανίζουν υψηλό βαθμό εξειδίκευσης (με την έννοια ότι δρουν συνήθως σε ένα μόνο συγκεκριμένο υπόστρωμα), και τέλος επηρεάζονται από διάφορους παράγοντες όπως η θερμοκρασία, το ph, τη συγκέντρωση υποστρώματος και τη συγκέντρωση ενζύμου. Πιο συγκεκριμένα, η ταχύτητα των ενζυμικών αντιδράσεων μεταβάλλεται ανάλογα με τη μεταβολή της θερμοκρασίας: υπάρχει μια ορισμένη θερμοκρασία, που ονομάζεται βέλτιστη, στην οποία η ταχύτητα της αντίδρασης γίνεται μέγιστη και για τα περισσότερα ένζυμα αυτή είναι η θερμοκρασία του σώματός μας δηλαδή μεταξύ 36 και 38 βαθμούς Κελσίου. Πέρα όμως από το όριο αυτό, η ταχύτητα της αντίδρασης ελαττώνεται και γύρω στους 50 βαθμούς Κελσίου τα ένζυμα αδρανοποιούνται λόγω μετουσίωσης και η ενζυμική αντίδραση σταματά. Στην περίπτωση του ph, η ταχύτητα της αντίδρασης που καταλύει ένα ένζυμο γίνεται μέγιστη σε τιμές ph μεταξύ 5 και 9, ενώ ένα ισχυρά όξινο ή ισχυρά αλκαλικό περιβάλλον μπορεί να προκαλέσει την καταστροφή του ενζύμου. Όσον αφορά στη συγκέντρωση του υποστρώματος όσο αυτή αυξάνεται, αυξάνεται και η ταχύτητα της ενζυμικής αντίδρασης πάλι όμως μέχρι ενός ορίου διότι καταλαμβάνονται όλα τα ενεργά κέντρα των διαθέσιμων ενζύμων. Τέλος, όσον αφορά στο ένζυμο για δεδομένη συγκέντρωση υποστρώματος και για συγκεκριμένη τιμή ph και θερμοκρασίας, όσο αυξάνεται η ποσότητα του ενζύμου αυξάνεται και η ταχύτητα της ενζυμικής αντίδρασης. Διάφοροι παράγοντες όπως τα εντομοκτόνα και τα βαρέα μέταλλα όταν συνδέονται με ένα ένζυμο παρεμποδίζουν (αναστέλλουν) μόνιμα τη δράση του και γι αυτό το λόγο ονομάζονται μη αντιστρεπτοί αποστολείς. Οι αντιστρεπτοί αναστολείς, παρεμποδίζουν μόνο παροδικά τη δράση των ενζύμων. Δηλαδή εάν απομακρυνθούν από 4

5 το ένζυμο επανέρχεται η λειτουργία του. Τέλος υπάρχουν μερικοί παράγοντες απαραίτητοι για την λειτουργία των ενζύμων που ονομάζονται συμπαράγοντες. Τέτοιοι είναι τα συνένζυμα (π.χ βιταμίνες), διάφορα ιόντα (π.χ ψευδάργυρος, χαλκός κ.α) Κεφάλαιο 4ο Γενετική Κύκλος ζωής ενός κυττάρου είναι το διάστημα που μεσολαβεί από τη στιγμή που θα δημιουργηθεί ένα κύτταρο μέχρι το ίδιο να δώσει απογόνους. Το μεγαλύτερο μέρος του κυτταρικού κύκλου λέγεται μεσόφαση, και στη διάρκειά της συντίθενται τα διάφορα είδη RNA, οι «βοηθοί» του DNA που χαμε αναφέρει, φτιάχνονται οι πρωτεΐνες κλπ Όταν λέμε κεντρικό δόγμα της Βιολογίας εννοούμε εκείνη την βιολογική αρχή, με βάση την οποία «κυλάει» η πληροφορία από το DNA που είναι αποθηκευμένη στις πρωτεΐνες οι οποίες καθορίζουν τα δομικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά του κυττάρου. Αντιγραφή To 1o βήμα ροής της πληροφορίας είναι η αντιγραφή. Η αντιγραφή του DNA γίνεται με ημισυντηρητικό τρόπο δηλ. τα θυγατρικά μόρια περιέχουν έναν παλιό κι ένα νέο κλώνο. Ο διπλασιασμός ξεκινά με το σπάσιμο των δεσμών υδρογόνου ανάμεσα στις συμπληρωματικές βάσεις του αρχικού μορίου σε ένα συγκεκριμένο σημείο του μορίου DNA στο προκαρυωτικό κύτταρο (στο ευκαρυωτικό DNA υπάρχουν πολλά τέτοια σημεία), και το ξετύλιγμα της δίκλωνης έλικας. Στη συνέχεια, και με τη βοήθεια της DNA πολυμεράσης ΙΙΙ τοποθετούνται οι συμπληρωματικές βάσεις απέναντι από κάθε κλώνο και ενώνονται μεταξύ τους, με ομοιοπολικό δεσμό. Έτσι, από ένα αρχικό μόριο DNA παίρνουμε δύο ίδια θυγατρικά. H DNA πολυμεράση ΙΙΙ επιδιορθώνει επίσης και τα λάθη που συμβαίνουν κατά την αντιγραφή. Μεταγραφή Το 2 ο βήμα ροής της πληροφορίας είναι η μεταγραφή. Προκειμένου να περάσει η πληροφορία από τον πυρήνα που είναι αποθηκευμένη, στα ριβοσώματα που βρίσκονται στο κυτταρόπλασμα για να γίνει σύνθεση των πρωτεϊνών, πρέπει το DNA να βγει από τους πόρους του πυρήνα (πράγμα αδύνατον γιατί είναι μεγάλο μόριο) και επιπλέον να βρίσκεται ταυτοχρόνως σε πολλά ριβοσώματα όταν απαιτείται μία πρωτεΐνη να συντεθεί σε πολλαπλά αντίγραφα πράγμα που επίσης δεν είναι εφικτό διότι το DNA υπάρχει σε ένα μόνο αντίγραφο. Λύση στα προβλήματα αυτά έδωσε η εξέλιξη με τη δημιουργία των RNA με την μεταγραφή. Κατά τη μεταγραφή συντίθεται το RNA με βάση το DNA. Το RNA λειτουργεί ως ενδιάμεσο μόριο μεταξύ του DNA του πυρήνα και της πρωτεϊνοσύνθεσης στα ριβοσώματα και μπορεί να συντεθεί σε πολλαπλά αντίγραφα. Πιο συγκεκριμένα, το DNA ανοίγει όπως και στην αντιγραφή, σε ένα τμήμα που περιέχεται η πληροφορία που πρόκειται να μεταγράψει. Το τμήμα αυτό ονομάζεται γονίδιο. Τώρα όμως δρα το ένζυμο RNA πολυμεράση τοποθετώντας συμπληρωματικά ριβονουκλεοτίδια, μόνο που τώρα απέναντι από Τ (θυμίνη) μπαίνει U (ουρακίλη). Έτσι σχηματίζεται ένα μονόκλωνο μόριo mrna ή trna ή rrna. Δεν μεταγράφονται όμως και οι 2 αλυσίδες του DNA παρά μόνο η μία. Η RNA πολυμεράση δεν διορθώνει λάθη που τυχόν θα συμβούν, αλλά αυτό 5

6 δεν ενδιαφέρει το κύτταρο, αφού τα λάθη αυτά αφορούν μόνο στην/στις πρωτεΐνη/ες που θα παραχθούν και δεν θα περάσουν στις επόμενες γενιές κυττάρων. Μετάφραση Το 3 ο βήμα ροής της πληροφορίας είναι η μετάφραση στην οποία φτιάχνονται οι πρωτεΐνες. Xωρίζεται σε τρία (3) στάδια: την έναρξη, την επιμήκυνση και την λήξη. Προτού μιλήσουμε για τη μετάφραση όμως, είναι αναγκαίο να πούμε λίγα λόγια για τον γενετικό κώδικα. Γενετικός κώδικας Ο γενετικός κώδικας δεν είναι τίποτε άλλο παρά μια αντιστοίχηση των νουκλεοτιδίων του RNA σε αμινοξέα. Δηλαδή, χάρη στον γενετικό κώδικα η γλώσσα των τεσσάρων νουκλεοτιδίων του RNA μεταφράζεται στην γλώσσα των 20 αμινοξέων των πρωτεϊνών. Τα νουκλεοτίδια του RNA διαβάζονται από το ριβόσωμα ανά τρία, συνεπώς ο γενετικός κώδικας είναι τριαδικός. Η τριάδες αυτές των νουκλεοτιδίων ονομάζονται κωδικόνια. Αν κοιτάξουμε τον γενετικό κώδικα προσεκτικά παρατηρούμε ότι τρία κωδικόνια δεν κωδικοποιούν κανένα αμινοξύ και χαρακτηρίζονται ως κωδικόνια λήξης. Ένα κωδικόνιο χαρακτηρίζεται ως κωδικόνιο έναρξης και είναι αυτό που κωδικοποιεί την μεθειονίνη. Αυτό σημαίνει, ότι κάθε πρωτεΐνη αρχίζει από αυτό το αμινοξύ. Ο γενετικός κώδικας επίσης είναι παγκόσμιος, με την έννοια ότι το ίδιο αμινοξύ κωδικοποιείται από την ίδια τριπλέτα νουκλεοτιδίων, δηλαδή το ίδιο κωδικόνιο, σε όλους τους οργανισμούς από τα βακτήρια μέχρι τον άνθρωπο με ελάχιστες εξαιρέσεις. Ο γενετικός κώδικας είναι συνεχής δηλαδή τα νουκλεοτίδια διαβάζονται συνεχώς ανά τρία χωρίς να παραλείπεται κάποιο νουκλεοτιδίο, και τέλος είναι και μη επικαλυπτόμενος, δηλαδή ένα νουκλεοτίδιο αντιστοιχεί σε ένα και μόνο ένα κωδικόνιο. Έναρξη: Το mrna που έχει πάει στο κυτταρόπλασμα συνδέεται με το ένα άκρο του σε μία περιοχή του rrna του ριβοσώματος. Το πρώτο κωδικόνιο που διαβάζει το ριβόσωμα είναι το AUG που κωδικοποιεί όπως βλέπουμε από τον γενετικό κώδικα την μεθειονίνη. Στη συνέχεια, ένα κατάλληλο μόριο trna ενώνεται με το mrna φέρνοντας το αμινοξύ μεθειονίνη στο ριβόσωμα. Αυτό συμβαίνει, γιατί μόνο το trna της μεθειονόνης έχει μία τριπλέτα βάσεων UAC συμπληρωματική με το AUG που λέγεται αντικωδικόνιο Επιμήκυνση: Το ριβόσωμα διαθέτει δύο θέσεις δέσμευσης για δύο trna κάθε φορά. Στην πρώτη θέση, έχει ήδη δεσμευτεί το trna που κουβαλάει τη μεθειονίνη, και στη δεύτερη θέση δέσμευσης έρχεται ένα trna που έχει αντικωδικώνιο συμπληρωματικό με το δεύτερο κατά σειρά κωδικονίο κουβαλώντας το αντίστοιχο αμινοξύ. Ανάμεσα τώρα στη μεθειονίνη και στο δεύτερο αμινοξύ σχηματίζεται ένας πεπτιδικός δεσμός. Το πρώτο trna αποδεσμεύεται από τη μεθειονίνη και απελευθερώνεται στο κυτταρόπλασμα, ενώ το ριβόσωμα μετατοπίζεται προς το τρίτο κωδικόνιο. Με την μετατόπιση όμως αυτή, το δεύτερο trna μεταφέρεται στη θέση του ριβοσώματος που ήταν πριν το πρώτο trna οπότε μένει μια θέση κενή. Στη θέση αυτή, έρχεται ένα τρίτο κατά σειρά trna που μεταφέρει ένα τρίτο αμινιξύ, ενώ ανάμεσα τώρα στο δεύτερο και στο τρίτο αμινοξύ σχηματίζεται ένας πεπτιδικός δεσμός. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται συνεχώς μέχρι να ολοκληρωθεί η σύνθεση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Λήξη Όταν το ριβόσωμα συναντήσει ένα από τα τρία κωδικόνια λήξης που υπάρχουν (π.χ το UGA), σταματά η πρωτεϊνοσύνθεση. Η πολυπεπτιδική αλυσίδα απελευθερώνεται από τα ριβοσώματα ενώ πολλές φορές υφίσταται ενζυμική επεξεργασία στα κατάλληλα 6

7 οργανίδια (π.χ αδρό ενδοπλασματικό δίκτυο) προκειμένου να γίνει λειτουργική. Σε ένα mrna μπορούν να συνδέονται ταυτόχρονα πολλά ριβοσώματα. Έτσι τα κύτταρα μπορούν να παράγουν σε μικρό χρονικό διάστημα πολλά αντίγραφα της ίδιας πρωτεΐνης. Χρωματίνη και χρωμόσωμα Δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε τη διπλή έλικα του DNA με το μικροσκόπιο γιατί αφενός μεν εμφανίζεται με διαφορετικές μορφές στα διάφορα είδη κυττάρων (π.χ κυκλική στα βακτήρια), αφετέρου διότι συνδέεται με πρωτεΐνες και με RNA σχηματίζοντας μια νουκλεοπρωτεϊνική δομή που ονομάζεται χρωματίνη. Όταν το κύτταρο δεν διαιρείται η χρωματίνη εμφανίζεται με τη μορφή ινιδίων δημιουργώντας ένα πλέγμα που ονομάζεται δίκτυο χρωματίνης, ενώ όταν το κύτταρο διαιρείται αυτά τα ινίδια χρωματίνης συμπυκνώνονται και παίρνουν μία δομή που ονομάζεται χρωμόσωμα. Τα χρωμοσώματα στα σωματικά κύτταρα των ανώτερων ευκαρυωτικών οργανισμών βρίσκονται σε ζευγάρια και ονομάζονται ομόλογα χρωμοσώματα. Είναι χρωμοσώματα ίδια σε σχήμα και μέγεθος και περιέχουν γονίδια που ελέγχουν το ίδιο χαρακτηριστικό με τον ίδιο ή διαφορετικό τρόπο. Τα γονίδια αυτά που βρίσκονται στην ίδια θέση των ομόλογων χρωμοσωμάτων ονομάζονται αλληλόμορφα. Τα κύτταρα που έχουν τα χρωμοσώματά τους και τα γονίδιά τους σε ζευγάρια χαρακτηρίζεται ως διπλοειδή (2n), ενώ αντίθετα τα κύτταρα που περιέχουν και μια απλή χρωμοσωμάτων και γονιδίων όπως είναι τα ωάρια και τα σπερματοζωάρια χαρακτηρίζονται ως απλοειδή (1n). Κυτταρική διαίρεση Γενικά Η ζωή μας ξεκίνησε από ένα κύτταρο, το γονιμοποιημένο ωάριο ή αλλιώς ζυγωτό. Από το κύτταρο αυτό προκύπτει τελικά ένας πολυκύτταρος οργανισμός, όλα τα κύτταρα του οποίου περιέχουν την ίδια γενετική πληροφορία με το ζυγωτό. Πως όμως συντελείται αυτό το θαύμα της ζωής; Αυτό εξασφαλίζεται χάρη σε δύο τύπους κυτταρικής διαίρεσης την μίτωση και την μείωση. Μίτωση Την μίτωση τη χωρίζουμε στην πυρηνική διαίρεση κατά την οποία διανέμεται ακριβοδίκαια το γενετικού υλικό στα δύο θυγατρικά κύτταρα και στην κυτταροπλασματική διαίρεση κατά την οποία μοιράζεται το κυτταρόπλασμα και τα οργανίδια στα δύο θυγατρικά κύτταρα. Πυρηνική διαίρεση Την πυρηνική διαίρεση για να την μελετήσουμε την χωρίζουμε στην πρόφαση, στη μετάφαση, στην ανάφαση, και στην τελόφαση. Στην πρόφαση, που είναι το μεγαλύτερο σε διάρκεια στάδιο της μίτωσης, τα ινίδια της χρωματίνης συμπυκνώνονται και παίρνουν τη δομή των χρωμοσωμάτων καθένα από τα οποία αποτελείται από τις δύο αδερφές χρωματίδες που ενώνονται σε ένα σημείο, το κεντρομερίδιο ( κάθε αδελφή χρωματιδά είναι ένα μόριο DNA). Στην πρόφαση επίσης διαλύεται ο πυρήνας και εξαφανίζεται ο πυρηνίσκος, ενώ σχηματίζεται η άτρακτος από μικροσωληνίσκους. Με τη βοήθεια των μικροσωληνίσκων, στη μετάφαση, τα χρωμοσώματα μετακινούνται στο ισημερινό επίπεδο του κυττάρου, στο μέσο δηλαδή του κυττάρου, και διατάσσονται το ένα δίπλα στο άλλο. Παράλληλα έχουν ήδη συσπειρωθεί στο μέγιστο βαθμό και μπορούμε να παρατηρηθούν με ευκρίνεια ακόμα και με το οπτικό μικροσκόπιο. Στην ανάφαση, διαιρείται το κεντρομερίδιο και με τη βοήθεια πάλι των μικροσωληνίσκων 7

8 της ατράκτου αποχωρίζονται οι δύο αδελφές χρωματίδες στους δύο πόλους, δηλαδή στα δύο άκρα, του κυττάρου. Κάθε μία χρωματίδα αποτελεί πλέον ένα ανεξάρτητο χρωμόσωμα. Στην τελόφαση συμβαίνουν οι αντίστροφες διαδικασίες από την πρόφαση: η άτρακτος αποδιοργανώνεται και εμφανίζονται πάλι οι πυρήνες οι οποίοι περικλείουν τώρα τις μισές αδελφές χρωματίδες των χρωμοσωμάτων που αποσυσπειρώνονται και εμφανίζονται πάλι με τη μορφή των ινιδίων της χρωματίνης. Επίσης επανασχηματίζεται και ο πυρηνίσκος. Κυτταροπλασματική διαίρεση Κατά την κυτταροπλασματική διαίρεση στο ισημερινό επίπεδο του κυττάρου αρχίζει να δημιουργείται ένας δακτύλιος από ινίδια ακτίνης (αυτό συμβαίνει μόνο στα ζωικά κύτταρα γιατί στα φυτικά δημιουργείται ο φραγμοπλάστης), και με την πάροδο του χρόνου ο δακτύλιος αυτός στενεύει μέχρι να κόψει το κύτταρο στα δύο. Η διαδικασία αυτή φαίνεται σχηματικά παρακάτω: Βιολογική σημασία της μίτωσης Η βιολογική σημασία της μίτωσης είναι πολύ μεγάλη γιατί χάρη σε αυτήν εξασφαλίζεται η μονογονική αναπαραγωγή των μονοκύτταρων και των πολυκύτταρων ευκαρυωτικών οργανισμών (για παράδειγμα τα φυτά που αναπαράγονται βλαστητικά με παραφυάδες, οφθαλμούς κ.α). Επίσης, χάρη σε αυτήν τη διαδικασία, γίνεται η ανάπτυξη των πολυκύτταρων οργανισμών και η ανανέωση των κυττάρων τους (αντικαθίστανται δηλαδή κύτταρα κατεστραμμένα, ή γερασμένα). Αυτό συμβαίνει γιατί τα δύο θυγατρικά κύτταρα που προκύπτουν από τη μίτωση έχει πάρει το καθένα την μία από τις δύο αδελφές χρωματίδες κάθε χρωμοσώματος του μητρικού κυττάρου. Μείωση Με μείωση πολλαπλασιάζονται ορισμένοι τύποι κυττάρων που θα δώσουν τους γαμέτες και αυτά είναι τα άωρα (ανώριμα) γεννητικά κύτταρα που βρίσκονται στους όρχεις και τις ωοθήκες. Με την μείωση προκύπτουν 4 κύτταρα και όχι 2 όπως στην μίτωση και γίνεται σε δύο φάσεις την μείωση Ι και την μείωση ΙΙ. 8

9 Μείωση Ι Η μείωση Ι χωρίζεται και αυτή σε πρόφαση Ι, μετάφαση Ι, ανάφαση Ι και τελόφαση Ι. Στην πρόφαση 1, συμβαίνει ότι και στην πρόφαση της μίτωσης, με την σημαντική όμως διαφορά ότι εδώ τα ομόλογα χρωμοσώματα «μεταναστεύουν» και τοποθετούνται το ένα απέναντι από το άλλο, γεγονός που ονομάζεται σύναψη. Κατά τη σύναψη, είναι δυνατόν οι μη αδερφές χρωματίδες των ομολόγων χρωμοσωμάτων να «μπερδευτούν» μεταξύ τους και να ανταλλάξουν μεταξύ τους χρωμοσωμικά τμήματα. Δημιουργούνται δηλαδή δομές που μοιάζουν με το γράμμα X τα περίφημα χιάσματα, γι αυτό και ο μηχανισμός ονομάζεται χιασματυπία ή επιχιασμός. Στην μετάφαση Ι, σε αντίθεση με την μίτωση, τα ομόλογα χρωμοσώματα μητρικής και πατρικής προέλευσης ανακατευθύνονται τυχαία στους δύο πόλους του κυττάρου (χάρη στα νημάτια της ατράκτου που έχουν προσκολληθεί στα κεντρομερίδια των χρωμοσωμάτων), με μία διαδικασία που ονομάζεται ανεξάρτητος συνδυασμός των χρωμοσωμάτων. Πρόκειται για έναν μηχανισμό αναδιανομής των γονιδίων που βρίσκονται σε διαφορετικά, μη ομόλογα χρωμοσώματα. Στην ανάφαση 1, σε αντίθεση με την μίτωση, αποχωρίζονται ολόκληρα χρωμοσώματα και στο τέλος της έχουν σχηματιστεί δύο πλήρεις απλοειδείς σειρές χρωμοσωμάτων. Στην τελόφαση 1, (παράλληλα με την οποία γίνεται και η κυτταροπλασματική διαίρεση), παράγονται δύο απλοειδή κύτταρα, στα οποία τα χρωμοσώματα, αποτελούνται από δύο αδερφές χρωματίδες ενωμένες στο κεντρομερίδιο. Τα κύτταρα αυτά όμως, δεν μπαίνουν στην μεσόφαση, αλλά ακολουθεί η μείωση ΙΙ Μείωση ΙΙ Η μείωση ΙΙ είναι θα λέγαμε μία επανάληψη της μίτωσης και στο τέλος της έχουν προκύψει 4 απλοειδή κύτταρα στον άνδρα και ένα απλοειδές κύτταρο στην γυναίκα (τα υπόλοιπα 3 στην γυναίκα δεν είναι λειτουργικά) που λέγονται γαμέτες. Είναι κύτταρα απλοειδή, αφού το καθένα έχει πάρει μόνο την μία αδερφή χρωματίδα από κάθε ζευγάρι ομολόγων χρωμοσωμάτων. Η μείωση φαίνεται σχηματικά παρακάτω: Η βιολογική σημασία της μείωσης Η βιολογική σημασία της μείωσης είναι τεράστια, με όλη την σημασία της λέξεως, διότι, κάθε γαμέτης που προκύπτει, έχει πάρει μία μοναδική σειρά μη ομολόγων χρωμοσωμάτων. Κάθε τέτοια σειρά έχει πιθανότητα 2 n (για n αριθμό απλοειδών χρωμοσωμάτων), δηλαδή 2 23 για τον άνθρωπο, πιθανότητα που μικραίνει ακόμα περισσότερο με τον επιχιασμό κατά τον οποίον ανασυνδυάζονται γονίδια που βρίσκονται πάνω στο ίδιο ζεύγος ομολόγων χρωμοσωμάτων. Έτσι σε κάθε γαμέτη, κάθε οργανισμός «καταθέτει» έναν μοναδικό συνδυασμό γονιδίων που βρίσκονται σε διαφορετικά χρωμοσώματα και ταυτόχρονα ένα μοναδικό συνδυασμό γονιδίων που βρίσκονται στο ίδιο χρωμόσωμα. Η μείωση δηλαδή με άλλα λόγια, με τους μηχανισμούς της, είναι υπεύθυνη για τη δημιουργία της γενετικής ποικιλομορφίας που παρατηρούμε στους οργανισμούς. 9

10 Γονιδιακές μεταλλάξεις χρωμοσωμικές ανωμαλίες Η γενετική ποικιλομορφία μαζί με τις μεταλλάξεις συμβάλλουν στην εξέλιξη των οργανισμών διότι τα πιο «επιτυχημένα» γονίδια (γονίδια δηλαδή που προσφέρουν μεγαλύτερες πιθανότητες επιβίωσης στον φορέα τους) θα κληροδοτηθούν στους απογόνους. Όταν λέμε γονιδιακή μετάλλαξη εννοούμε μία αλλαγή στην σειρά των νουκλεοτιδίων ενός γονιδίου και μπορεί να γίνει π.χ με αφαίρεση ενός νουκλεοτιδίου, με προσθήκη κλπ. και γίνεται συνήθως από λάθη στην αντιγραφή του DNA. Οι μεταλλάξεις μπορούν να αφορούν όμως και ολόκληρο χρωμόσωμα οπότε τότε μιλάμε για αλλαγές στην δομή (δομικές ανωμαλίες όπως η αναστροφή, η μετατόπιση, η έλλειψη, ο διπλασιασμός) ή αλλαγές στον αριθμό (αριθμητικές ανωμαλίες όπως π.χ το σύνδρομο DOWN). Ο μεταλλάξεις συμβαίνουν τυχαία αλλά και κάτω από την επίδραση ορισμένων παραγόντων που λέγονται μεταλλαξογόνοι (πχ η ακτίνες Χ, η υπεριώδης ακτινοβολία κλπ) Γενετική μηχανική Γενετική μηχανική είναι η διαδικασία με την οποία επεμβαίνουμε και τροποποιούμε το γενετικό υλικό οργανισμών (π.χ βακτήρια) εισάγοντας γονίδια από έναν άλλον οργανισμό. Αυτό γίνεται με την βοήθεια ενζύμων που λέγονται ενδονουκλεάσες που κόβουν το DNA των πλασμιδίων (μικρά κυκλικά μόρια DNA που διαθέτουν τα βακτήρια) και εισάγοντας μέσα το κομμάτι του DNA που επιθυμούμε να εκφραστεί. Το καινούργιο DNA που προκύπτει λέγεται ανασυνδυασμένο. Με τον τρόπο αυτό, «αναγκάζουμε» τον οργανισμό να παράγει το επιθυμητό προϊόν που εμείς θέλουμε. Για παράδειγμα, αν βάλουμε το γονίδιο της ινσουλίνης του ανθρώπου σε ένα βακτήριο θα παράγουμε ανθρώπινη ινσουλίνη 10