Βιομόρια, δομή κυττάρου, διαμερισματοποίηση Ν. Κ. Μοσχονάς n_moschonas@med.upatras.gr Εργ. Γεν. Βιολογίας, Τμ. Ιατρικής Παν/μιο Πάτρας
Ποια είναι τα χαρακτηριστικά της ζωής; Θρέψη Αναπαραγωγή Εξέλιξη Ερεθιστικότητα Χημική σηματοδότηση
Χαρακτηριστικά της ζωής Οργάνωση, ρύθμιση, απόκριση στο περιβάλλον, αύξηση/ανάπτυξη, αναπαραγωγή, εξελικτική προσαρμογή Εξέλιξη Α. Ποικιλομορφία (π.χ.: κουνέλι, κροκόδειλος, περιστέρι) Β. Κοινά χαρακτηριστικά (βασικές λειτουργίες, οργάνωση σώματος, π.χ. σκελετός, κυκλοφορία, αναπνοή, ομοιοστασία, κλπ.) H ομοιογένεια και η ποικιλομορφία οφείλονται στην εξέλιξη Στο μοριακό επίπεδο: Από τις ομοιότητες/διαφορές της δομής των πληροφοριακών βιομορίων (π.χ. αλληλουχία DNA) ποικιλομορφία Στον οργανισμό: ομοιότητες στη «φόρμα» των οργανισμών στις ιδιότητες που χαρακτηρίζουν ένα συγκεκριμένο είδος Επίπεδα μελέτης των βιολογικών συστημάτων Από τα μόρια μέχρι τη βιόσφαιρα διάφορα επίπεδα πολυπλοκότητας αναδυόμενες ιδιότητες
Αναδυόμενες/νέες ιδιότητες Κάθε ανώτερο επίπεδο βιολογικής οργάνωσης συνοδεύεται από νέες/αναδυόμενες ιδιότητες που οφείλονται στις δομικές και λειτουργικές σχέσεις που προκύπτουν μεταξύ των επιμέρους συστατικών όσο αυξάνεται το επίπεδο πολυπλοκότητας Π.χ. χλωροφύλλη και συστατικά του χλωροπλάστη σε ένα δοκιμαστικό σωλήνα vs. οργάνωση όλων των συστατικών στα grana του χλωροπλάστη Σχέση δομής βιολογικού συστήματος και λειτουργίας Π.χ. Φτερούγες-πτήση Σχήμα ψαριού-κολύμβηση Οργάνωση /δομή δακτύλων ικανότητα χειρισμών Αμινοξική ακολουθία πρωτεΐνης - λειτουργία
Όλα τα έμβια όντα αποτελούνται από κύτταρα Τα κύτταρα είναι η δομική και λειτουργική μονάδα όλων των ζώντων οργανισμών Μερικοί οργανισμοί είναι μονοκύτταροι (π.χ. τα βακτήρια) και άλλοι, πολυκύτταροι (π.χ. ο άνθρωπος (10 14 κύτταρα), τα έντομα κλπ.) Όλα τα κύτταρα προέρχονται από προϋπάρχοντα κύτταρα Οι ζωτικές λειτουργίες των οργανισμών συμβαίνουν μέσα στα κύτταρα τους Όλα τα κύτταρα περιέχουν τη γενετική πληροφορία που απαιτείται για: τη διεξαγωγή & τη ρύθμιση της κυτταρικής λειτουργίας και τη μεταφορά της πληροφορίας στην επόμενη γενιά
Τα κύτταρα εμφανίζουν μεγάλη ποικιλότητα ως προς τη μορφή και τη λειτουργία τους Νευρικό κύτταρο παρεγκεφαλίδας Paramecium, βλεφαριδοφόρο πρωτόζωο 100μm 25μm Τομή από μίσχο νεαρού φυτού Μαστιγοφόρο βακτήριο Ουδετερόφιλο λευκοκύτταρο 10μm 0.5μm Σε τι οφείλονται αυτές οι διαφορές? ερυθροκύτταρο 10μm
Δομικοί λίθοι κυττάρου Σάκχαρα Λιπαρά οξέα Αμινοξέα Νουκλεοτίδια Μακρομόρια κυττάρου Πολυσακχαρίτες Λίπη/Λιπίδια/Μεμβράνες Πρωτεΐνες Νουκλεϊκά οξέα
Πως ελέγχονται οι δραστηριότητες (μεταβολισμός, αναπαραγωγή, ερεθιστικότητα) του κυττάρου; Με τα βιολογικά μακρομόρια: DNA RNA Πρωτεΐνες Πληροφοριακά μακρομόρια RNA RNA Πρωτεΐνες Πρωτεΐνες DNA RNA Πρωτεΐνες Πρωτεΐνες RNA Πρωτεΐνες Υδατάνθρακες Λιπίδια Μη-πληροφοριακά μακρομόρια ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Διαφορετική δομή των μορίων που κωδικοποιούν την γενετική πληροφορία (DNA ή RNA) από τα μόρια που την ερμηνεύουν/υλοποιούν (πρωτεϊνες) Χρήση ενός αλφάβητου 4 γραμμάτων (A, G, C, T/U) Χρήση ενός «κώδικα» για την ανάγνωση & μετάφραση του σε «λέξεις» με το συνδυασμό 20 γραμμάτων
Γενετική ποικιλότητα (κληρονομούμενες διαφορές) Μεταλλαγές στα γονίδια μπορεί να δημιουργήσουν τροποποιημένα ή νέα χαρακτηριστικά, συντελώντας έτσι σε κληρονομούμενες διαφορές ανάμεσα στα άτομα ενός είδους γενετική ποικιλότητα Φυσική επιλογή Λάθη κατά την αντιγραφή του DNA AGGGTCTAGGT AGGGTCTAGGT Διπλασιασμός DNA Θυγατρικά κύτταρα Αλλαγές στην αλληλουχία μεταλλάξεις AGGGTCGAGGT Φυσική επιλογή Charles Darwin: On the Origin of Species (1859) Νόμοι της κληρονομικότητας του Mendel Σύγχρονη Μοριακή Βιολογία και Γενετική
Η ζωή είναι μια αυτο-καταλυόμενη διαδικασία αμινοξέα νουκλεοτίδια Καταλυτική δράση Πληροφορία Πρωτεϊνες Πολυνουκλεοτίδια Τα πολυνουκλεοτίδια παρέχουν την πληροφορία και οι πρωτεΐνες την καταλυτική λειτουργία. Μέσω μιας πολύπλοκης σειράς χημικών αντιδράσεων, συντίθενται περισσότερες πρωτεΐνες και πολυνουκλεοτίδια, του ίδιου τύπου. Η διατήρηση της ζωής ενός βιολογικού συστήματος οφείλεται σε συνεχή ροή πληροφορίας!
Όλα τα κύτταρα έχουν παρόμοια βασική χημεία
Αποτέλεσμα της διαφορικής έκφρασης των γονιδίων είναι : 1. Ανάπτυξη DNA 2. Διαφοροποίηση Ινοβλάστες Μυοβλάστες Νευροβλάστες
Η σύγκριση αλληλουχιών γονιδίων/πρωτεϊνών από διαφορετικούς οργανισμούς και η ταυτοποίηση εκτεταμένων ομοιοτήτων, αποκαλύπτει τη συγγένεια & την κοινή καταγωγή της ζωής Ομόλογες πρωτεΐνες Σύγκριση μεταξύ πρωτεϊνών ανθρώπου και δυο ειδών σακχαρομύκητα που εμπλέκονται στον κυτταρικό κύκλο Oρθόλογες: με σημαντική δομική και λειτουργική ομοιότητα ανάμεσα σε διάφορα είδη οργανισμών Παράλογες: με σημαντική δομική ομοιότητα και παραπλήσια λειτουργία, μέσα στο ίδιο είδος (συγκροτούν πολυγονιδιακή οικογένεια) Συγκριτική γονιδιωματική Comparative Genomics
Οι ομοιότητες στη χημεία και τη μορφολογία ανάμεσα στους οργανισμούς, συνηγορούν ότι όλα τα είδη προέρχονται από ένα κοινό πρόγονο (ή την ίδια γονιδιακή δεξαμενή) μέσω μίας διαρκώς εξελισσόμενης πορείας δημιουργίας βιολογικής ποικιλότητας Οι τρεις επικράτειες της ζωής Βακτήρια Αρχαία Ευκάρυα
Φυλογενετικό δένδρο από 191 είδη με πλήρως γνωστή αλληλουχία γονιδιώματος. Οι συστοιχήσεις των ακολουθιών έχουν γίνει από 31 οικογένειες πρωτεϊνών που εμφανίζονται σε όλα τα είδη
Τα κύτταρα κάτω από το μικροσκόπιο 1. Φωτονικό μικροσκόπιο Ορατού φωτός Φθορισμού Συνεστιακό 2. Ηλεκτρονιακό μικροσκόπιο Διέλευσης Σάρωσης 50 μm Φυτικό κύτταρο σε διαίρεση, διάρκεια 2,5 ώρες (1880)
Φωτονικό μικροσκόπιο Φωτονικό μικροσκόπιο Μικροσκόπιο φθορισμού Ελάχιστο διακριτό όριο: 200 nm Μικροσκοπία φωτεινού πεδίου Μικροσκοπία αντίθεσης φάσεων Φυτικά κύτταρα Νεφρικά σωληνάρια Μικροσκοπία αντίθεσης φάσεων-συμβολής
Ηλεκτρονιακό μικροσκόπιο Φωτονικό συνεστιακό μικροσκόπιο Ηλεκτρονιακό μικροσκόπιο διέλευσης Ηλεκτρονιακό μικροσκόπιο σάρωσης Ελάχιστο διακριτό όριο: 2-20 nm Κροσσοί τριχωτού κυττάρου έσω ωτός
Εικόνες από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διέλευσης Κυτταρική μεμβράνη πυρήνας Ενδοπλασματικό δίκτυο ριβοσωμάτια Μοριο DNA μιτοχόνδριο μιτοχόνδριο υπεροξεισωμάτιο λυσοσωμάτιο Ηπατικό κύτταρο (Η/Μ) Ηπατικό κύτταρο (Η/Μ)
20 mm 2 mm 0.2 mm 20 μm 2 μm 0.2 μm (Φ/Μ) 20 nm 2 nm 0.2 nm (Η/Μ) Εννέα τάξεις μεγέθους (10 9 φορές) χωρίζουν το σώμα μας από τα άτομα
Στον πυρήνα είναι αποθηκευμένες οι γενετικές πληροφορίες του κυττάρου
Στο ενδοπλασματικό δίκτυο (ΕΔ) παράγονται συστατικά του κυττάρου. Στις μεμβράνες του ΕΔ γίνεται η πρωτεϊνοσύνθεση Η συσκευή Golgi είναι στίβες επιπεδομένων μεμβρανικών ασκών, αποδέχεται και τροποποιεί χημικά μόρια που έχουν συντεθεί στο ΕΔ
Οι ενδοκυττάριες μεμβράνες δημιουργούν ένα δίκτυο που φέρνει σε ελεγχόμενη επικοινωνία το εξωκυττάριο περιβάλλον με τις κυττάρικες δομές μέχρι τον πυρήνα Ενδοκυττάρια πέψη
νημάτια ακτίνης μικροσωλινίσκοι ενδιάμεσα ινίδια Ο κυτταροσκελετός αποτελείται από ινίδια που συμβάλλουν στον καθορισμό του σχήματος του κυττάρου Κυτταρική διαίρεση
Τα μιτοχόνδρια παράγουν ενέργεια από τις τροφές για τις ανάγκες του κυττάρου (κυτταρική αναπνοή: οξείδωση σακχάρων ΑΤΡ) Τα μιτοχόνδρια πιθανόν προέρχονται από βακτήρια που εγκολπώθηκαν σε αρχέγονα ευκαρυωτικά κύτταρα
Οι χλωροπλάστες παγιδεύουν ενέργεια από το ηλιακό φώς και συνθέτουν σάκχαρα από CO 2 και H 2 O Οι χλωροπλάστες θεωρείται ότι έχουν εξελιχθεί από φωτοσυνθετικά βακτήρια που εγκολπώθηκαν από αρχέγονα ευκαρυωτικά κύτταρα
Εξελικτικό δένδρο Παρόν: Αερόβια βακτήρια Τα ευκαρυωτικά κύτταρα αρχικά ήταν αναερόβια που απέκτησαν μιτοχόνδρια (πριν 1,5 δισ. χρόνια) και αργότερα, χλωροπλάστες
Πρότυποι οργανισμοί (model organisms) και εφαρμογές Το βακτήριο Escherichia coli Ο σακχαρομύκητας Saccharomyces cerevisiae Το ζιζάνιο Arabidopsis thaliana Πλεονεκτήματα: Φθηνή, εύκολη και γρήγορη καλλιέργεια σε ελεγχόμενες/απλές εργαστηριακές συνθήκες Βραχύχρονη αναπαραγωγική διαδικασία Λιγότερο πολύπλοκο γονιδίωμα Καλή γενετική ανάλυση Απλούστερη δομική οργάνωση & λειτουργία Καθόλου (ή λιγότερα) ηθικά προβλήματα στους χειρισμούς
Ο νηματώδης σκώληκας Caenorhabditis elegans Το έντομο Drosophila melanogaster Το ποντίκι (Mus musculus) Οι πρότυποι οργανισμοί (model organisms) είναι τα ερευνητικά μας εργαλεία για να κατανοήσουμε τις βασικές λειτουργίες της ζωής. Eίναι καλά πειραματικά μοντέλα για τον εντοπισμό γονιδίων που σχετίζονται με ασθένειες και για δοκιμασίες θεραπευτικών πρωτοκόλλων.
Πείραμα διερεύνησης της λειτουργικής συμπληρωματικότητας ανάμεσα σε πρωτεΐνες ανθρώπου και δύο ειδών σακχαρομύκητα, που εμπλέκονται στη ρύθμιση του κυτταρικού κύκλου (cdc2). Συμπέρασμα: Οι πρωτεΐνες cdc2 από τους σακχαρομύκητες μέχρι τον άνθρωπο έχουν διατηρήσει δομική αλλά και λειτουργική ομοιότητα, άρα θεωρούνται ορθόλογες