Κυτταρική οργάνωση ΕΞΕΤΑΣΤΕΑ ΥΛΗ 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟ (απλή αναφορά) 4.2 ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΤΥΠΙΚΟΥ ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ (απλή αναφορά) 4.3 ΑΠΟ ΤΟ ΠΡΟΚΑΡΥΩΤΙΚΟ ΣΤΟ ΕΥΚΑΡΙΩΤΙΚΟ ΚΥΤΤΑΡΟ (απλή αναφορά) 4.4 Η ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ, σελ. 83 100 (Η κυτταρική μεμβράνη ως επικοινωνιακό μέσο του κυττάρου. σελ. 98 99 απλή αναφορά) Βιολογικές μεμβράνες Η πλασματική (κυτταρική) μεμβράνη αποτελεί το εξωτερικό όριο κάθε κυττάρου και με αυτήν το κύτταρο: 1. Επικοινωνεί με το εξωτερικό περιβάλλον 2. Ελέγχει το είδος των ουσιών που εισέρχονται και εξέρχονται από αυτό Όλες οι μεμβράνες (και των οργανιδίων) έχουν παρόμοια δομή 1
2
Fig. 7-2 Hydrophilic head WATER Hydrophobic tail WATER 3
Ιδιότητες σταθερότητα ρευστότητα ελαστικότητα Λειτουργίες η εκλεκτική διαπερατότητα, δηλαδή ο έλεγχος που ασκεί στη διακίνηση των ουσιών η αναγνώριση και υποδοχή μηνυμάτων, από το περιβάλλον του κυττάρου η πρόσληψη και αποβολή ουσιών από το κύτταρο, με τη δημιουργία προεκβολών (ψευδοποδίων) και εσοχών. Μοντέλο του ρευστού μωσαϊκού Η συμπεριφορά της κυτταρική μεμβράνης, με τη συνεχή κίνηση των συστατικών της, θυμίζει την κίνηση, που μπορούν να κάνουν οι ψηφίδες (πρωτείνες, γλυκολιπίδια κλπ) σ ένα μωσαϊκό, όσο η θεμέλια ουσία (φωσφορολιπίδια) βρίσκεται σε υγρή φάση. Γι αυτό, το μοντέλο της κυτταρικής μεμβράνης χαρακτηρίζεται ως ρευστό μωσαϊκό, παρουσιάζοντας ρευστότητα και ελαστικότητα. Χημική σύσταση των μεμβρανών σύμφωνα με το Μοντέλο του Ρευστού Μωσαϊκού: Φωσφορολιπίδια, Πρωτεΐνες, Χοληστερόλη, Γλυκολιπίδια, Γλυκοπρωτεΐνες 4
5
Fig. 7-8 N-άκρο Εξωκυτταρική πλευρά C-άκρο έλικα Κυτταροπλασματική πλευρά 6
Fig. 7-5 Πλάγιες μετακινήσεις ~10 7 φορές το δευτερόλεπτο Κάθετες κινήσεις ~ μία φορά το μήνα ΡΕΥΣΤΟ Υγρό -ΤΗΤΑ Ακόρεστα λιπαρά (b) Membrane fluidity Κορεσμένα λιπαρά χοληστερόλη Επίσης στη ρευστότητα της μεμβράνης συντελούν τα μόρια χοληστερόλης. Στην αύξηση της θερμοκρασίας εμποδίζουν το «λιώσιμο» της και στη μείωση της θερμοκρασίας εμποδίζουν τη «στερεοποίηση» της. Αυξημένη ρευστότητα επίσης προσδίδει η παρουσία ακόρεστων λιπών ενώ μειωμένη ρευστότητα η παρουσία κορεσμένων λιπών. 7
Πλασματικές μεμβράνες δύο κυττάρων Εικόνες ηλεκτρονικού μικροσκοπίου 8
Εκλεκτική διαπερατότητα (ή ημιπερατότητα) πρόσληψη πρώτων υλών για εξασφάλιση των τροφικών και ενεργειακών αποθεμάτων, απέκκριση τοξικών ουσιών και άλλων παραπροϊόντων του μεταβολισμού του κυττάρου δημιουργία διαφοράς δυναμικού, ένθεν και ένθεν της μεμβράνης (είναι απαραίτητη για τη νευρική ώση και τη μυϊκή δραστηριότητα). Τρόποι μεταφοράς ουσιών μέσω της μεμβράνης Παθητική μεταφορά: η διακίνηση ουσιών, χωρίς την κατανάλωση ενέργειας Ενεργητική μεταφορά: η διακίνηση ουσιών διαμέσου της κυτταρικής μεμβράνης με κατανάλωση ενέργειας 9
Μεταφορά Ουσιών Παθητική μεταφορά Ενεργητική μεταφορά Απλή διάχυση Υποβοηθούμενη διάχυση ώσμωση Αντλίες Να+/Κ+ και Η+ Ενδοκυττάρωση/ εξωκυττάρωση Παθητική μεταφορά Απλή διάχυση Υποβοηθούμενη διάχυση Ώσμωση 10
Διάχυση Η τάση των μορίων να διασπείρονται μέσα στο διαλυτικό μέσο, από περιοχές υψηλής συγκέντρωσης σε περιοχές χαμηλής συγκέντρωσης 11
Fig. 7-11 Molecules of dye Membrane (cross section) WATER Net diffusion Net diffusion Equilibrium (a) Diffusion of one solute Net diffusion Net diffusion (b) Diffusion of two solutes Net diffusion Net diffusion Equilibrium Equilibrium 12
α. Απλή διάχυση: Όταν μόρια ή ιόντα περνούν μέσω της κυτταρικής μεμβράνης από περιοχές μεγάλης συγκέντρωσης σε περιοχές μικρής συγκέντρωσης με στόχο την εξισορρόπηση των συγκεντρώσεων. π.χ νερό, οξυγόνο, διοξείδιο του άνθρακα και μικρά μόρια χωρίς ηλεκτρικό φορτίο. Επίσης η απλή διάχυση γίνεται μέσω πρωτεϊνικών καναλιών που είναι εξειδικευμένα στο να επιτρέπουν την απλή διάχυση ενός είδους πολικού μορίου ή ιόντος π.χ Cα++ (ασβεστίου), Cl- (χλωρίου) ή Κ+ (καλίου) 13
Υποβοηθούμενη διάχυση Εκτελείται με τη βοήθεια διαμεμβρανικών πρωτεϊνών που ονομάζονται πρωτεϊνικοί μεταφορείς. Τα μόρια των ουσιών προσδένονται προσωρινά στα μόρια των πρωτεϊνικών μεταφορέων (στην πλευρά της κυτταρικής μεμβράνης, όπου η συγκέντρωσή τους είναι μεγαλύτερη) Έπειτα περνούν μέσω των πρωτεϊνικών μεταφορέων, (που αλλάζουν προσωρινά για τo σκοπό αυτό τη στερεοχημική δομή τους, χωρίς την κατανάλωση ενέργειας), στην άλλη πλευρά της μεμβράνης. 14
Ώσμωση Προσανατολισμένη κίνηση στα μόρια του νερού, με φορά προς την πλευρά της μεμβράνης, όπου η συγκέντρωση των μορίων νερού είναι συγκριτικά μικρότερη 15
Ωσμωτικές συγκεντρώσεις Υπερτονικό: το διάλυμα με τη μεγαλύτερη ωσμωτική συγκέντρωση. Υποτονικό: το διάλυμα με τη μικρότερη ωσμωτική συγκέντρωση. Ισοτονικά: όταν οι ωσμωτικές συγκεντρώσεις δύο διαλυμάτων είναι ίσες Η ωσμωτική συγκέντρωση του κάθε διαλύματος δημιουργεί, επίσης, και την ωσμωτική πίεση του διαλύματος ( Η Ωσμωτική πίεση είναι το αποτέλεσμα της τάσης των μορίων του νερού να εισέλθουν στο διάλυμα αυτό λόγω ώσμωσης) Υπότονο Νερό Υπέρτονο 16
Fig. 7-12 Lower concentration of solute (sugar) Higher concentration of sugar Same concentration of sugar H 2 O Selectively permeable membrane Osmosis 17
Εμφανίζεται στα πρωτόζωα του «γλυκού» νερού (λίμνες ποτάμια). Όσο πιο υπότονο είανι το νερό σε σχέση με το κυτταρόπλασμα τόσο πιο πολλά κενοτόπια δημιουργεί το πρωτόζωο. Τα κενοτόπια αποτελούν δείκτες ποιότητας του νερού. 18
Πλασμόλυση ερυθρών αιμοσφαιρίων 19
ΠΑΘΗΤΙΚΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ Διάχυση Ώσμωση (μια ειδική περίπτωση διάχυσης νερού) Fig. 7-17 Passive transport Active transport Απλή διάχυση Υποβοηθούμενη διάχυση ATP 20
Ενεργητική Μεταφορά («αντίθετη» της Διάχυσης) Ουσίες διακινούνται αντίθετα με την κλίση της συγκέντρωσης τους (δηλ. από περιοχές όπου η συγκέντρωσή τους είναι μικρή, σε περιοχές όπου η συγκέντρωσή τους είναι μεγάλη) Χρησιμοποιούνται διαμεμβρανικές πρωτεΐνες (Αντλίες) που παθαίνουν προσωρινές αλλαγές στην δομή τους Έχουμε κατανάλωση ενέργειας υπό μορφή ATP 21
Αντλία ΝΑ + -Κ + Για κάθε τρία ιόντα νατρίου που αντλούνται εκτός του κυττάρου, δύο ιόντα καλίου αντλούνται ταυτόχρονα στο εσωτερικό του. Συμβάλλει στη διατήρηση του δυναμικού ηρεμίας στους νευρώνες, ώστε να καθίσταται δυνατή η διέγερσή τους και η δημιουργία της νευρικής ώσης. 22
ΕΝΕΡΓΗΤΙΚΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ Αντλία Na+/K+ 23
Αντλία πρωτονίων Συναντάται στις εσωτερικές μεμβράνες των μιτοχονδρίων και των χλωροπλαστών Εκτελεί ενεργητική μεταφορά ιόντων υδρογόνου Η+ (πρωτονίων), από τη μια πλευρά της μεμβράνης στην άλλη. Συμβάλλει στη Χημειωσμωτική σύνθεση της ATP 24
25
Πρόσληψη και αποβολή μεγαλομοριακών ουσιών ενδοκυττάρωση εξωκυττάρωση φαγοκυττάρωση πινοκυττάρωση α)έκκριση χρήσιμων β) Απέκκριση άχρηστων 26
Ενδοκυττάρωση Είναι η ενσωμάτωση μέρους του εξωτερικού περιβάλλοντος του κυττάρου, στο κυτταρόπλασμα, με χρήση προσωρινών κυτταροπλασματικών προεκβολών (ψευδοποδίων) ή εγκολπώσεων και ταυτόχρονη κατανάλωση ενέργειας Διακρίνεται σε: 1. Φαγοκυττάρωση (στερεά) 2. Πινοκυττάρωση (υγρά) ΕΝΕΡΓΗΤΙΚΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ Ενδοκύτωση (φαγοκύτωση) Ενδοκύτωση (πινοκύτωση) 27
ΦΑΓΟΚΥΤΤΑΡΩΣΗ 28
Εξωκυττάρωση Απέκκριση από το κύτταρο αχρήστων και τοξικών ουσιώνμε με κατανάλωση ενέργειας. Εκκριση χρήσιμων μακρομορίων, που προορίζονται να χρησιμοποιηθούν αλλού με κατανάλωση ενέργειας. π.χ. Στα φυτά εκκρίνονται ουσίες για το κυτταρικό τοίχωμα και στα ζώα εκκρίνονται ορμόνες, πεπτικά ένζυμα, νευροδιαβιβαστές. 29
Ενδοκύττωση (φαγοκύττωση) και Εξωκύττωση (σε 5 βήματα) 1. Ψευδοπόδια 2. Φαγόσωμα που κινείται προς λυσόσωμα 3. Συγχώνευση λυσοσώματος και φαγοσώματος 4. Πέψη 5. Αποβολή των προϊόντων της πέψης από το κύτταρο. 30
Fig. 7-UN3 Cell 0.03 M sucrose 0.02 M glucose Environment: 0.01 M sucrose 0.01 M glucose 0.01 M fructose Fig. 7-UN4 31
Μηχανισμοί επικοινωνίας κυττάρων Κυρίαρχο ρόλο έχουν οι Γλυκοπρωτεΐνες που δρουν ως υποδοχείς χημικών μηνυμάτων (π.χ ορμόνες και νευροδιαβιβαστές). Οι γλυκοπρωτεΐνες αναγνωρίζουν χημικά μόρια (μόρια σήμανσης), που βρίσκονται πάνω σε κυτταρικές μεμβράνες άλλων κυττάρων και δρουν ως υποδοχείς των μορίων αυτών. Η αναγνώριση αυτή οδηγεί στη δημιουργία ιστών, καθώς τα κύτταρα που αναγνωρίζονται τοποθετούνται δίπλα από τα ήδη υπάρχοντα. Η πλασματική μεμβράνη ως δέκτης μηνυμάτων Ένα τυπικό κύτταρο έχει ένα αριθμό από μόρια εκτεθειμένα στο περιβάλλον και σε επικοινωνία με αυτό. Τα μόρια αυτά λειτουργούν σαν τα μάτια, τα αυτιά και τη μύτη του κυττάρου. Τα μόρια αυτά έχουν ειδικά τμήματα που ονομάζονται υποδοχείς (RECEPTORS). Άλλα μόρια στο περιβάλλον έχουν ειδικά συστατικά που ονομάζονται επιτόπια LIGANDS. Τα επιτόπια έχουν περιοχές που συνδέονται επιλεκτικά με τους υποδοχείς του κυττάρου. Δια μέσου μιας τέτοιας σύνδεσης ένα μήνυμα μπορεί να περνάει προς ή από το κύτταρο. 32
Πληροφορία ρέει μέσω της πλασματικής μεμβράνης με τη βοήθεια ενός μεμβρανικού υποδοχέα (receptor) Κατηγορίες και Λειτουργίες Διαμεμβρανικών πρωτεϊνών Πρωτεΐνες μεταφορείς (διακίνηση χημικών ουσιών διαμέσου της κυτταρικής μεμβράνης). Πρωτεϊνικά ένζυμα (βιολογικοί καταλύτες χημικών αντιδράσεων κατά μήκος της κυτταρικής μεμβράνης). Πρωτεϊνικοί υποδοχείς (αναγνωρίζουν συγκεκριμένα μόριααγγελιαφόρους με τα οποία συνδέονται). Πρωτεΐνες σήμανσης (μέσο αναγνώρισης του είδους του κυττάρου που τις φέρει). Πρωτεΐνες τοποθέτησης (αναγνώριση και σύνδεση κυττάρων του ιδίου είδους). Πρωτεϊνικά άγκιστρα (τμήματα του κυτταρικού σκελετού που ενώνονται με τα μικροϊνίδια και βοηθούν στη μηχανική υποστήριξη του κυττάρου). 33
ΔΙΑΚΙΝΗΣΗ ΟΥΣΙΩΝ ΑΠΟ ΚΑΙ ΠΡΟΣ ΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟ Π Α Θ Η Τ Ι Κ Α ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΑΠΛΗ ΔΙΑΧΥΣΗ μέσω ΦΩΣΦΟΡΟΛΙΠΙΔΙΩΝ ΑΠΛΗ ΔΙΑΧΥΣΗ μέσω ΠΡΩΤΕΪΝΙΚΩΝ ΚΑΝΑΛΙΩΝ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΚΙΝΗΣΗΣ Προς μικρότερες συγκεντρώσεις της ουσίας Προς μικρότερες συγκεντρώσεις της ουσίας ΠΡΟΫΠΟΘΕΣΗ Διαβάθμιση στη συγκέντρωση της ουσίας Διαβάθμιση στη συγκέντρωση της ουσίας, πρωτεϊνικό κανάλι. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΟΥΣΙΩΝ Νερό, λιποδιαλυτές ουσίες, και αέρια Ιόντα π.χ. Ca ++, Cl - ΥΠΟΒΟΗΘΟΥΜΕΝΗ ΔΙΑΧΥΣΗ Προς μικρότερες συγκεντρώσεις της ουσίας Διαβάθμιση στη συγκέντρωση της ουσίας, πρωτεϊνικός μεταφορέας. Σάκχαρα, αμινοξέα και μερικά ιόντα ΩΣΜΩΣΗ Προς μικρότερες συγκεντρώσεις του νερού Διαβάθμιση στην ωσμωτική συγκέντρωση της διαλυμένης ουσίας Νερό Ε Ν Ε Ρ Γ Η Τ Ι Κ Α ΕΝΕΡΓΗΤΙΚΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ (μικρομορίων) ΦΑΓΟΚΥΤΤΑΡΩΣΗ (Ενδοκυττάρωση) ΠΙΝΟΚΥΤΤΑΡΩΣΗ (Ενδοκυττάρωση) ΕΞΩΚΥΤΤΑΡΩΣΗ Προς μεγαλύτερη συγκέντρωση της ουσίας Προς το εσωτερικό του κυττάρου Προς το εσωτερικό του κυττάρου Προς το εξωτερικό του κυττάρου Πρωτεϊνικές αντλίες, ενέργεια Ψευδοπόδια, ενέργεια Εγκόλπωση, ενέργεια Κυστίδια, ενέργεια Σάκχαρα, αμινοξέα, ιόντα Μικροοργανισμοί μακρομόρια Μακρομόρια Μακρομόρια 34