ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΤΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ Ομοιότητες μεταξύ των έμβιων οργανισμών: όλοι οι φυτικοί και ζωικοί οργανισμοί είναι αθροίσματα κυττάρων και παρά την μορφολογική τους ποικιλότητα μοιάζουν εντυπωσιακά μεταξύ τους, ως προς τις λεπτομέρειες της χημικής οργάνωσής τους ενώ έχουν κοινούς μηχανισμούς για τις περισσότερες βασικές λειτουργίες. Οι βασικές ομοιότητες μεταξύ των κυττάρων είναι: 1) Όλα τα κύτταρα αποτελούνται από τα ίδια είδη μορίων, που συμμετέχουν στα ίδια είδη χημικών αντιδράσεων. 2) Οι γενετικές οδηγίες αποθηκεύονται σε μόρια DNA, κωδικοποιούνται και διπλασιάζονται με τον ίδιο τρόπο, προκειμένου να επιτρέψουν στον οργανισμό να αναπαραχθεί. Σε κάθε κύτταρο, οι μακριές αλυσίδες DNA αποτελούνται από το ίδιο σύνολο μονομερών (νουκλεοτίδια), τα οποία διατάσσονται με διαφορετικό τρόπο, ώστε να μεταφέρουν διαφορετικές πληροφορίες. 3) Οι οδηγίες του DNA μεταγράφονται σε RNA και μεταφράζονται σε πρωτεΐνες, οι οποίες καθορίζουν την συμπεριφορά του κυττάρου και λειτουργούν ως δομικά υλικά, χημικοί καταλύτες, «μοριακές μηχανές» και άλλα. 4) Σε κάθε έμβιο ον, οι πρωτεΐνες συντίθενται από τους 20 διαφορετικούς τύπους χημικών υπομονάδων. Οι υπομονάδες ωστόσο, συνδέονται με διαφορετικούς τρόπους, προσδίδοντας διαφορετικές χημικές ιδιότητες στα μόρια των πρωτεϊνών. Γενικά, το κύτταρο είναι η θεμελιώδης μονάδα της ζωής, οπότε τίποτα μικρότερο από ένα κύτταρο δεν μπορεί να χαρακτηριστεί ως πραγματικά ζωντανό. Για παράδειγμα, οι ιοί έχουν μερικά κοινά είδη μορίων με τα κύτταρα, αλλά δεν είναι ικανοί να αναπαράγονται. Αντιγράφονται παρασιτικά, δηλαδή εκμεταλλεύονται τον αναπαραγωγικό μηχανισμό των κυττάρων που μολύνουν. Εξέλιξη και φυσική επιλογή στα κύτταρα: κάθε κύτταρο αναπαράγεται με διπλασιασμό του DNA και έπειτα διαιρείται στα δύο, μεταβιβάζοντας ένα αντίγραφο των γενετικών πληροφοριών (που κωδικοποιεί το DNA) σε κάθε θυγατρικό κύτταρο. Αυτό ερμηνεύει γιατί τα τέκνα μοιάζουν με τους γονείς. Η αντιγραφή δεν είναι πάντα τέλεια, και σποραδικά το DNA αλλοιώνεται, λόγω μεταλλάξεων. Οι μεταλλάξεις μπορεί να μεταβάλλουν ένα κύτταρο προς το χειρότερο (από την άποψη πως μπορεί να το καθιστούν λιγότερο ικανό να επιβιώσει και να αναπαραχθεί), ή προς το καλύτερο (οι μεταλλάξεις τότε θα ευνοούν την επιβίωση και την αναπαραγωγή) ή να είναι ουδέτερες (οι διαφορές που δημιουργούνται δεν έχουν λειτουργικές επιπτώσεις). Ο αγώνας για επιβίωση εξαλείφει το πρώτο είδος, ευνοεί το δεύτερο και ανέχεται το τρίτο. Οι απόγονοι που θα επιβιώσουν, θα μεταβιβάσουν τις τροποποιημένες γενετικές τους πληροφορίες στους απογόνους τους. Αν δε υπάρχει φυλετική αναπαραγωγή, τότε το γενετικό υλικό αναδιανέμεται, καθώς δύο κύτταρα του ίδιου είδους συνενώνονται με συνέπεια την συνένωση του DNA τους και την αναδιοργάνωση των γενετικών πληροφοριών.
Εικόνα 1.1: Το DNA και οι δομικοί λίθοι αυτού. (Α) Το DNA αποτελείται από απλές υπομονάδες, που καλούνται νουκλεοτίδια, έκαστο εκ των οποίων αποτελείται από ένα μόριο φωσφορικού σακχάρου και μία υπομονάδα που φέρει Ν (αζωτούχος βάση). (Β) Η σύνδεση των πολικών νουκλεοτίδιων εν σειρά οδηγεί στον σχηματισμό μίας μονής αλυσίδας του DNA, η οποία όμως είναι ασύμμετρη, κάτι που εν τέλει προσδίδει στην διπλή έλικα (που θα σχηματιστεί από την ένωση δύο αλυσίδων), μία συγκεκριμένη πολικότητα. (Γ) Μέσω της συμπληρωματικότητας των βάσεων (σύνδεση Α με Τ και C και με G) η μία αλυσίδα λειτουργεί ως «καλούπι» για την σύνθεση της άλλης, κατά την αντιγραφή του DNA. (Δ) Ο σχηματισμός μίας διπλής αλυσίδας DNA, όπου οι αζωτούχες βάσεις συνδέονται με τις εκατέρωθεν αυτών, μέσω σχετικά ασθενών δεσμών υδρογόνου. (Ε) Ο τελικός σχηματισμός της διπλής έλικας του DNA, όπου η γενική δομή (αυτή της διπλής έλικας) διατηρείται, δίχως μεταβολή, ανεξάρτητα της αλληλουχίας των νουκλεοτιδίων. Εικόνα 1.2: Η αντιγραφή των γενετικών πληροφοριών, μέσου του αναδιπλασιασμού του DNA. Σε αυτήν την διαδικασία, οι δύο κλώνοι της διπλής έλικας διαχωρίζονται, και έκαστος χρησιμεύει ως «καλούπι» για την σύνθεση του συμπληρωματικού του. Θεωρία της εξέλιξης: είναι η διεργασία με την οποία τα έμβια όντα τροποποιούνται σταδιακά και προσαρμόζονται στο περιβάλλον τους, με συνεχώς πιο αποτελεσματικούς τρόπους. Αυτές οι αρχές, της αλλαγής και της επιλογής εφαρμόστηκαν επαναληπτικά σε
τεράστιο αριθμό κυτταρικών γενεών. Όλα τα κύτταρα προέρχονται από τον ίδιο κοινό πρόγονο. Έχει υπολογιστεί πως το κύτταρο αυτό εμφανίστηκε πριν από 3.5 με 3.8 δισεκατομμύρια χρόνια και θεωρείται πως περιείχε μία πρωταρχική εκδοχή του οικουμενικού μηχανισμού που διέπει κάθε σύγχρονη μορφή ζωής πάνω στην Γη. Μέσω μεταλλάξεων, οι απόγονοί τους σταδιακά διαφοροποίηθηκαν, απέκλιναν και κάλυψαν κάθε γωνιά της Γης. Γονιδίωμα: είναι το σύνολο των γενετικών πληροφοριών που περιέχονται στο DNA ενός κυττάρου, οι οποίες παρέχουν ένα γενετικό πρόγραμμα, που καθοδηγεί το κύτταρο πως να λειτουργήσει. O όρος αναφέρεται κυρίως στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς, και συγκεκριμένα στο γενετικό υλικό (DNA) του πυρήνα. Στα φυτικά και στα ζωικά κύτταρα, παρέχονται επίσης και οδηγίες για την ανάπτυξη του οργανισμού με εκατοντάδες διαφορετικά είδη κυττάρων. Από ένα γονιμοποιημένο ωάριο παράγονται: Λιποκύτταρα Δερματικά κύτταρα Οστεοκύτταρα Νευρικά κύτταρα Όλα αυτά τα είδη κυττάρων περιέχουν το ίδιο DNA, αλλά τα διαφορετικά χαρακτηριστικά τους απορρέουν από τον τρόπο με τον οποίον χρησιμοποιούν τις γενετικές τους οδηγίες. Διαφορετικά κύτταρα εκφράζουν διαφορετικά γονίδια, δηλαδή ενεργοποιούν επιλεκτικά, την παραγωγή ορισμένων πρωτεϊνών, ανάλογα με τις οδηγίες που παρέλαβαν από τα προγονικά τους κύτταρα και τους περιορισμούς/ανάγκες που θέτει το περιβάλλον. 1.1: ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ Δυνατότητες μελέτης των κυττάρων: τα κύτταρα γενικά έχουν πολύ μικρό μέγεθος και δεν ο είναι ορατά με γυμνό μάτι. Η ανακάλυψη του μικροσκοπίου τον αιώνα κατέστησε ορατά, για πρώτη φορά τα κύτταρα. Τα φωτονικά μικροσκόπια εξακολουθούν να αποτελούν τα βασικά εργαλεία μελέτης των κυττάρων, αλλά υπόκεινται σε περιορισμούς που σχετίζονται με την μέγιστη δυνατή μεγέθυνσή τους. Το πρόβλημα αυτό επιλύεται με την χρήση του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου, που χρησιμοποιεί δέσμες ηλεκτρονίων αντί για δέσμες φωτονίων. Κυτταρική θεωρία: είναι το δόγμα που προέκυψε από τις μικροσκοπικές μελέτες του αιώνα (Schleiden, Schwann, Pasteur), και ορίζει πως όλα τα κύτταρα προέρχονται από διαίρεση προϋπορχόντων κυττάρων. Η λογική προέκταση της θεωρίας είναι πως οι έμβιοι οργανισμοί δεν προκύπτουν αυθόρμητα, αλλά από προϋπάρχοντες οργανισμούς. Η θεωρία της εξέλιξης του Darwin (1859) προσέφερε τις βασικές γνώσεις για την κατανόηση της ιστορίας της εξέλιξης, και υπέδειξε πως η τυχαία παραλλαγή και η φυσική επιλογή προάγουν την δημιουργία και την επιβίωση οργανισμών με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Μικροσκοπική παρατήρηση κατάλληλου φυτικού ή ζωικού ιστού (με φωτονικό μικροσκόπιο): ο ιστός χωρίζεται σε χιλιάδες μικρά κύτταρα, τα οποία «διατάσσονται» πυκνά ου
το ένα δίπλα στο άλλο, είτε διαχωρίζονται μεταξύ τους από ένα υλικό γνωστό ως εξωκυττάριο στρώμα, ένα πυκνό υλικό το οποίο αποτελείται από πρωτεϊνικές ίνες, ενσωματωμένες σε μία πολυσακχαριτική πηκτή. Συνήθως κάθε κύτταρο έχει διάμετρο 5-20 μm. Αν το δείγμα έχει διατηρηθεί σε κατάλληλες συνθήκες, τα κύτταρα εμφανίζουν σημεία ζωής: σωματίδια μετακινούνται εντός του κυττάρου και συχνά αυτό διπλασιάζεται και διαιρείται στα δύο. Εξέταση της εσωτερικής δομής ενός κυττάρου: αυτή η διαδικασία είναι πιο δύσκολη γιατί τα ξεχωριστά συστατικά είναι πολύ μικρά, αλλά επίσης διαφανή και συνήθως άχρωμα. Οι δυνατότητες που προσφέρονται είναι: 1) Βαφή των κυττάρων με χρωστικές, που χρωματίζουν τα διάφορα συστατικά με διαφορετικό τρόπο. 2) Αξιοποίηση της διαφοράς μεταξύ των διαφορετικών συστατικών, ως προς τον δείκτη διάθλασης. 3) Βελτίωση της εικόνας με ηλεκτρονική επεξεργασία. Με χρήση των παραπάνω μεθόδων, το κύτταρο αναδεικνύει τα ανατομικά χαρακτηριστικά του. Εμφανίζει ένα σαφές περίγραμμα, η παρουσία του οποίου υποδεικνύει την ύπαρξη μίας κυτταρικής μεμβράνης, στο μέσο της οποίας βρίσκεται ο πυρήνας. Γύρω από τον πυρήνα, βρίσκεται μία διαφανείς ουσία, που πληρώνει το εσωτερικό του κυττάρου, και είναι το κυτταρόπλασμα. Με χρήση μικροσκοπίου, με μεγάλη μεγέθυνση, διακρίνονται εντός του κυτταροπλάσματος τα διαφορετικά οργανίδια αυτού. Με το φωτονικό μικροσκόπιο δεν μπορούν να διακριθούν δομές μικρότερες από 0.2 μm (1/2 του μήκους κύματος του ορατού φωτός). Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μπορεί να αποκαλύψει λεπτομέρειες μεγέθους λίγων nm. Προετοιμασία δείγματος ηλεκτρονικού μικροσκοπίου: ο ιστός πρέπει προηγουμένως να μονιμοποιηθεί (σε αντίθεση με το φωτονικό μικροσκόπιο), να σκηνωθεί σε στερεό κερί ή ρητίνη, να διαταμεί σε λεπτές τομές και να χρωσθεί. Πρέπει οι τομές να είναι λεπτότερες (~ 40 nm) από αυτές του φωτονικού μικροσκοπίου, οπότε δεν υπάρχει η δυνατότητα ζωντανών κυττάρων. Χαρακτηριστικά του κυττάρου ορατά με οπτικά μικροσκόπια ΕΙΔΟΣ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟΥ ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΜΕΓΕΘΥΝΣΗΣ Φωτονικό Δέσμη φωτονίων Διάκριση έως 0.2 μm και διακρίνει πυρήνα, κυτταρική μεμβράνη, κυτταρικό τοίχωμα και μεγάλα οργανίδια (όπως τα χυμοτόπια) Συνεστιακό Δέσμη υπεριώδους Επιτρέπει εστίαση σε συγκεκριμένο
Φθορισμού Ηλεκτρονικό laser Δέσμη υπεριώδους laser Επιταχυνόμενη δέσμη ηλεκτρονίων βάθος και είναι συνδυασμός εικόνων μικροσκοπίου φθορισμού έπειτα από επεξεργασία με κατάλληλο λογισμικό. Πολλές δυνατότητες εστίασης και τρισδιάστατης αποτύπωσης. Εντοπίζει υποκυτταρικά συστατικά έπειτα από σήμανση με φθορίζουσες ουσίες Προσφέρει μεγέθυνση μέχρι 2 nm (αισθητή διάκριση συστατικών μέχρι μεγέθους ριβοσωμάτων, δηλαδή ~ 20 nm) Εξασφάλιση ενέργειας από τα βακτήρια 1.2: ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΠΡΟΚΑΡΥΩΤΙΚΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ Βακτήρια: είναι σφαιρικά, ραβδόσχημα ή σπιροειδή κύτταρα, με μήκος λίγα μm. Συχνά φέρουν ένα αδρό προστατευτικό περίβλημα, το κυτταρικό τοίχωμα (γνωστό ως βακτηριακό τοίχωμα, ώστε να διακρίνεται από το κυτταρικό τοίχωμα των φυτικών κυττάρων), κάτω από το οποίο βρίσκεται η κυτταρική μεμβράνη (γνωστή ως βακτηριακή μεμβράνη), που περικλείει ένα μοναδικό χώρο, ο οποίος περιέχει το κυτταρόπλασμα, συμπεριλαμβανομένου του DNA. Κάτω από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, το εσωτερικό του κυττάρου έχει την εμφάνιση ενός στρώματος με ποικίλουσα υφή, χωρίς προφανή εσωτερική δομή. Τα βακτήρια αναπαράγονται γρήγορα, διαιρούμενα στα δύο, με απλή διχοτόμηση, και υπό ιδανικές συνθήκες ένα βακτήριο διπλασιάζεται κάθε 20 λεπτά. Έτσι, μέσα σε 11 ώρες έχει δημιουργήσει 5 κύτταρα. Λόγω της πληθώρας και της ταχύτητας ανάπτυξής τους, οι πληθυσμοί των βακτηρίων εξελίσσονται πολύ γρήγορα και αποκτούν την ικανότητα να χρησιμοποιούν νέες πηγές τροφής και να ανθίστανται σε αντιβιοτικά. Οι προκαρυώτες διαβιούν ως μονοκύτταροι οργανισμοί. Ορισμένοι όμως σχηματίζουν αλυσίδες ή συμπλέγματα. Από την άποψη του σχήματος και της δομής, τα βακτήρια φαίνονται απλά. Από απόψεως χημικής οργάνωσης εμφανίζουν την μεγαλύτερη ποικιλότητα και επινοητικότητα. Τα βακτήρια διαβιούν σε τεράστια ποικιλία συνθηκών, από τις θερμές λακκούβες της ηφαιστειακής λάσπης έως το εσωτερικό άλλων έμβιων κυττάρων, και είναι γενικά πολυπληθέστερα από οποιονδήποτε άλλο οργανισμό στην Γη. Κάποια βακτήρια είναι αερόβια, δηλαδή μπορούν να επιβιώσουν μόνο παρουσία και κάποια άλλα είναι αναερόβια, δηλαδή αποφεύγουν κάθε περιβάλλον που είναι πλούσιο σε, καθώς η παρουσία του είναι επιβλαβής για αυτά. Ουσιαστικά, κάθε οργανικό υλικό (από το ξύλο έως το πετρέλαιο), μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως τροφή από κάποιο είδος βακτηρίων. Κάποια βακτήρια επίσης, διαβιούν αποκλειστικά καταναλώνοντας ανόργανα υλικά. Τα βακτήρια αυτά συγκρατούν τον απαραίτητο C από το της ατμόσφαιρας, το Ν από το ατμοσφαιρικό Ν, και τα Η,, S, P, από τον αέρα, το νερό και διάφορα άλατα. Μερικά από τα βακτηριακά κύτταρα, όπως και τα φυτικά κύτταρα, είναι φωτοσυνθετικά, δηλαδή εξασφαλίζουν την ενέργεια που χρειάζονται για βιοσυνθέσεις από το ηλιακό φως. Άλλα βακτήρια προσλαμβάνουν την απαραίτητη ενέργεια από χημικές αντιδράσεις, με την Αναδιπλασιασμός των βακτηρίων Συνθήκες διαβίωσης βακτηρίων
κατανάλωση ανόργανων ουσιών του περιβάλλοντος. Τα βακτήρια είναι πολύ σημαντικά για την διατήρηση της ισορροπίας του περιβάλλοντος, ενώ πολλοί οργανισμοί εξαρτώνται από τις ουσίες που παράγουν τα βακτήρια. Ρόλος των βακτηρίων στην επιβίωση των φυτών: ιδιαίτερος είναι ο ρόλος των βακτηρίων στην επιβίωση των φυτών. Τα φυτά, μέσω της φωτοσύνθεσης, μπορούν να προσλάβουν ενέργεια, αλλά και C από το της ατμόσφαιρας. Ωστόσο, χωρίς την βοήθεια των βακτηρίων του εδάφους αδυνατούν να προσλάβουν N. Άρα και η φωτοσύνθεση πλήρων σακχάρων από τα φυτά, εξαρτάται εν τέλει και από βακτήρια. Διαφορά προκαρυωτικών και ευκαρυωτικών κυττάρων σχετικά με την θέση του DNA Εικόνα 1.3: H δομή ενός τυπικού βακτηρίου. Στην εικόνα φαίνεται το Vibrio cholerae, και καθίσταται προφανής η απλή εσωτερική του οργάνωση. Όπως και πολλά άλλα είδη βακτήριων, και αυτό έχει στο πίσω μέρος του, ένα μαστίγιο, το οποίο περιστρέφεται σαν προπέλα, ώστε να προωθήσει το βακτήριο. Επίσης, φαίνεται το DNA και τα ριβοσώματα, καθώς και το κυτταρικό τοίχωμα και η πλασματική μεμβράνη. Εικόνα 1.4: Φωτογραφία ενός βακτηρίου Escherichia coli, του πιο εκτενώς μελετημένου μικροοργανισμού. Είναι συγγενικό ως προς το V. cholerae, αλλά διαθέτει πολλά μαστίγια (δεν είναι ορατά εδώ) που κατανέμονται στην επιφάνειά του. Το γενετικό υλικό του βακτηρίου είναι συγκεντρωμένο στην ανοιχτόχρωμη περιοχή. 1.3: ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΤΩΝ ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ Ευκαρυωτικά κύτταρα: είναι εξ ορισμού τα κύτταρα, τα οποία περιέχουν πυρήνα, και από τα οποία αποτελούνται όλοι οι πολυκύτταροι οργανισμοί. Τα κύρια οργανίδια των ευκαρυωτικών κυττάρων είναι: Ι: ΠΥΡΗΝΑΣ Είναι συνήθως το πιο εμφανές οργανίδιο του κυττάρου και περικλείεται από δύο μεμβράνες, οι οποίες συνιστούν το πυρηνικό φάκελο. Εντός του πυρήνα περιέχονται μόρια DNA,
δηλαδή εξαιρετικά επιμήκη πολυμερή που κωδικοποιούν την γενετική εξειδίκευση του οργανισμού. Αυτά τα γιγαντιαία μόρια, γίνονται ορατά με την μορφή χρωμοσωμάτων, στο φωτωνικό μικροσκόπιο, όταν το κύτταρο ετοιμάζεται να διαιρεθεί, οπότε και γίνονται πιο συμπαγή. Το DNA είναι η «αποθήκη» των γενετικών πληροφοριών και στα προκαρυωτικά κύτταρα (τα οποία όμως δεν το διατηρούν εντός διακριτού πυρήνα, σε μία διακριτή περιοχή του κυτταροπλάσματος, το πυρηνοειδές). II: ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΑ Είναι ευδιάκριτα οργανίδια του κυτταροπλάσματος, που υπάρχουν σε όλα, τα ευκαρυωτικά κύτταρα (ακόμη και στα πρωτόζωα), και αποκαλύπτουν την χαρακτηριστική δομή τους, κατόπιν εξέτασης στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Βασικά χαρακτηριστικά των μιτοχονδρίων είναι: 1. Έχουν αλλαντοειδές ή σκωληκόμορφο σχήμα, με μήκος από 1 έως πολλά μm. 2. Κάθε μιτοχόνδριο περιβάλλεται από δύο ξεχωριστές μεμβράνες, με την εσωτερική να σχηματίζει πτυχές που προβάλλουν στο εσωτερικό του οργανιδίου. 3. Τα μιτοχόνδρια περιέχουν το δικό τους DNA, υπό μορφή 2-10 κυκλικών δίκλωνων αντιγράφων. Ορισμένα κατώτερα πρωτόζωα περιέχουν γραμμικά μόρια DNA στα μιτοχόνδριά τους. Αναπαράγονται διαιρούμενα στα δύο, ανεξάρτητα από το γενετικό υλικό του πυρήνα. 4. Εξαιτίας των ομοιοτήτων τους με τα σημερινά βακτήρια, θεωρείται πως προέρχονται από άλλα προγονικά βακτήρια, τα οποία εγκλείσθηκαν από κάποιον πρόγονο των σημερινών ευκαρυωτικών κυττάρων. Αυτό οδήγησε σε μία συμβιωτική σχέση (τόσο ο ευκαρυώτης όσο και το βακτήριο επωφελούνταν ώστε να επιβιώσουν). Τα μιτοχόνδρια πιστεύεται πως εξελίχθηκαν από εγκύστωση από αεροβίων βακτηρίων, που επιβίωσαν να διαβιώσουν στο εσωτερικό των αρχέγονων αναερόβιων προγόνων των ευκαρυωτικών κυττάρων. Έτσι ο αερόβιος μεταβολισμός των ευκαρυωτικών κυττάρων μπορεί να θεωρηθεί πως τελικά βασίζεται στην δραστηριότητα αερόβιων βακτηριακών κυττάρων. Η παρατήρηση με το μικροσκόπιο προσφέρει λίγες πληροφορίες σχετικά με την λειτουργία των μιτοχονδρίων. Η λειτουργία τους αποκαλύφθηκε με θραύση των κυττάρων και συλλογή των μιτοχονδρίων, με φυγοκέντρηση του κυτταρικού εναιωρήματος, που διαχωρίζει τα οργανίδια, ανάλογα με το σχήμα το μέγεθος και την πυκνότητά τους. Τα μιτοχόνδρια που απομονώθηκαν σε καθαρή κατάσταση, μελετήθηκαν ώστε να εξακριβωθούν οι λειτουργίες που επιτελούν. Τα μιτοχόνδρια είναι γεννήτριες παραγωγής χημικής ενέργειας στα κύτταρα. Αξιοποιούν την ενέργεια που απελευθερώνεται από την οξείδωση των μορίων της τροφής, όπως τα σάκχαρα, για την παραγωγή ATP (τριφωσφορική αδενοσίνη), το βασικό χημικό καύσιμο που συντηρεί τις δραστηριότητες του κυττάρου. Τα μιτοχόνδρια επιτελούν την κυτταρική αναπνοή.
Εικόνα 1.5: Ένα μιτοχόνδριο. (Α) Εικόνα τομής, ιδωμένη στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. (Β) Σχέδιο ενός μιτοχονδρίου, με ένα μέρος του να έχει αφαιρεθεί, ώστε να είναι ορατή η εσωτερική του δομή. (Γ) Μία σχηματική αναπαράσταση ενός ευκαρυωτικού κυττάρου, με την θέση του μιτοχονδρίου να αναπαρίσταται με πορτοκαλί χρώμα. Να σημειωθεί η σχετικά λεία εξωτερική μεμβράνη και η περιελιγμένη εσωτερική μεμβράνη, όπου υπάρχουν και οι πρωτεΐνες που παράγουν ΑΤP. Εικόνα 1.6: Η προέλευση των μιτοχονδρίων: ένα αρχέγονο ευκαρυωτικό κύτταρο θεωρείται πως εγκύστωσε τον βακτηριακό πρόγονο των μιτοχονδρίων, κάτι που αποτέλεσε την έναρξη μίας συμβιωτικής σχέσης. Χωρίς μιτοχόνδρια, τα ζώα και οι μύκητες, και τα φυτά, δεν ήταν σε θέση να χρησιμοποιήσουν το Ο, για να αποσπάσουν την μέγιστη δυνατή ποσότητα ενέργειας από τα μόρια των τροφών. Το Ο θα ήταν για αυτούς δηλητήριο και όχι αναγκαία προϋπόθεση επιβίωσης. Λίγοι ευκαρυωτικοί οργανισμοί αδυνατούν να επιβιώσουν σε περιβάλλον που περιέχει Ο. Οι οργανισμοί αυτοί αποκαλούνται αναερόβιοι και δεν περιέχουν μιτοχόνδρια. Κυτταρική αναπνοή: είναι η διεργασία κατά την οποία τα μιτοχόνδρια καταναλώνουν Ο, για την οξείδωση της τροφής και την παραγωγή ATP, και παράγουν CΟ, ως παραπροϊόν. III: ΧΛΩΡΟΠΛΑΣΤΕΣ
Είναι μεγάλα πράσινα οργανίδια, που υπάρχουν μόνο σε κύτταρα φυτών και αλγών, αλλά όχι όμως και σε ζωικά κύτταρα ή μύκητες. Η δομή τους είναι ακόμη πιο πολύπλοκη από αυτή των μιτοχονδρίων. Εκτός από τις δύο περιβάλλουσες μεμβράνες, στο εσωτερικό του υπάρχουν στοίβες μεμβρανών που περιέχουν χλωροφύλλη (μία πράσινη χρωστική). Οι χλωροπλάστες είναι ζωτικής σημασίας για τα φυτά και τις άλγες. Διαφορά φυτών και ζώων στην παραγωγή και κατανάλωση ενέργειας Προέλευση των χλωροπλαστών Εικόνα 1.7: Οι χλωροπλάστες και η δομή αυτών. (Α) Ένα μεμονωμένο φυτικό κύτταρο, απομονωμένο από ένα φύλλο δένδρου. Τα πράσινα οργανίδια είναι οι χλωροπλάστες. (Β) Σχέδιο ενός μεμονωμένου χλωροπλάστη, όπου φαίνεται το εκτενώς πτυχωμένο σύστημα εσωτερικής μεμβράνης, η οποία περιέχει τα μόρια της χλωροφύλλης. Σε αντίθεση με τα ζώα, που είναι ικανά να χρησιμοποιούν μόνο την χημική ενέργεια, που προέρχεται από την κατανάλωση άλλων φυτών ή ζώων, τα φυτά είναι ικανά να συνθέτουν μόνα τους την χημική ενέργεια που απαιτείται για την επιβίωση και την ανάπτυξή τους. Οι χλωροπλάστες προσλαμβάνουν την απαραίτητη ενέργεια μέσω της απορρόφησης φωτονίων, από το ηλιακό φως, κατά την φωτοσύνθεση. Κατά την φωτοσύνθεση οι χλωροπλάστες απελευθερώνουν Ο, ως άχρηστο προϊόν. Οι χλωροπλάστες παράγουν τόσο τις «καύσιμες ύλες», όσο και το Ο που χρησιμοποιούν όλα τα μιτοχόνδρια, από όπου φαίνεται η συζευγμένη λειτουργία μιτοχονδρίων και χλωροπλαστών στους φυτικούς οργανισμούς. Οι χλωροπλάστες περιέχουν το δικό τους DNA και αναπαράγονται διαιρούμενοι στα δύο και θεωρείται ότι έχουν εξελιχθεί από προγονικά φωτοσυνθετικά βακτήρια, τα οποία με κάποιο τρόπο εγκλείστηκαν από το πρωτόγονο ευκαρυωτικό κύτταρο.
Φωτοσύνθεση: είναι η «παγίδευση» της ενέργειας του ηλιακού φως, σε μόρια χλωροφύλλης και τελικά αυτή η ενέργεια χρησιμοποιείται για την παρασκευή μορίων σακχάρων, που είναι πλούσια σε ενέργεια. Εικόνα 1.8: Η προέλευση των χλωροπλαστών: ένα αρχέγονο ευκαρυωτικό κύτταρο, το οποίο είχε ήδη μιτοχόνδρια, καταβρόχθισε ένα αρχέγονο φωτοσυνθετικό βακτήριο (ένα κυανοβακτήριο) και το διατήρησε υπό την μορφή συμβίωσης. Όλοι οι σύγχρονοι χλωροπλάστες θεωρείται πως μπορούν να ανάγουν την προέλευσή τους, σε ένα και μόνο είδος αρχέγονων κυανοβακτηρίων, το οποίο συμβίωσε με ένα ευκαρυωτικό κύτταρο. IV: ΕΝΔΟΠΛΑΣΜΑΤΙΚΟ ΔΙΚΤΥΟ Είναι ένα ακανόνιστο δίκτυο πεπλατυσμένων μεμβρανών σε επαφή, περιβαλλόμενος από μεμβράνη, όπου συντίθενται τα περισσότερα συστατικά της κυτταρικής μεμβράνης, αλλά και υλικά που προορίζονται να εξαχθούν από το κύτταρο. Χωρίζεται σε αδρό, το οποίο είναι και θέση πρωτεϊνοσύνθεσης (στην επιφάνειά του εντοπίζονται ριβοσώματα) και λείο, όπου γίνεται η επεξεργασία των πρωτεϊνών. V: ΣΥΜΠΛΕΓΜΑ GOLGI Είναι στοίβες επιπεδωμένων μεμβρανικών ασκών, που αποδέχονται και τροποποιούν χημικά τα μόρια που συντίθενται στο ενδοπλασματικό δίκτυο, προσθέτωντας ή τροποποιώντας ομάδες σακχάρων στην επιφάνεια των πρωτεϊνών, για να κατευθύνει κατόπιν προς το εξωτερικό του κυττάρου, ή σε άλλες θέσεις. VI: ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ Είναι μικρά μεμβρανικά οργανίδια, ακανόνιστου σχήματος, όπου διεκπεραιώνεται ενδοκυττάρια πέψη, που οδηγεί σε απελευθέρωση χημικών ουσιών από σωματίδια τροφής και σε αποδόμηση ανεπιθύμητων μορίων για ανακύκλωση ή απέκκριση.
VII: ΥΠΕΡΟΞΕΙΣΩΜΑΤΙΑ Είναι μικρά μεμβρανικά κυστίδια, στο εξειδικευμένο περιβάλλον αποδομείται το Η Ο (υπεροξείδιο του υδρογόνου), μια επικίνδυνα δραστική χημική ουσία, για τα κυτταρικά συστατικά. ΚΥΤΤΑΡΟΣΚΕΛΕΤΟΣ Υπάρχει στα ευκαρυωτικά κύτταρα, όχι όμως και στα βακτήρια, και είναι μακριά, λεπτά ινίδια πρωτεϊνών. Συχνά, τα ινίδια αγκυροβολούν με το ένα άκρο τους στην κυτταρική μεμβράνη, ή εξορμούν ακτινωτά από μία κεντρική θέση, δίπλα στον πυρήνα. Το σύστημα αυτό είναι ο κυτταροσκελετός. Ο κυτταροσκελετός διαχωρίζεται ως εξής: 1. Ινίδια ακτίνης: είναι τα λεπτότερα ινίδια, και υπάρχουν σε όλα τα ευκαρυωτικά κύτταρα, αφθονούν δε ιδιαίτερα στα μυϊκά κύτταρα, όπου αποτελούν τμήμα του μηχανισμού, ο οποίος δημιουργεί δυνάμεις συστολής. Έχουν διάμετρο περί τα 5 nm. 2. Ενδιάμεσα ινίδια: είναι τα ινίδια ενδιάμεσου πάχους, που προσδίδουν στο κύτταρο μηχανική ισχύ. H διάμετρός τους κυμαίνεται από 7 έως και 13 nm. 3. Μικροσωληνίσκοι: είναι τα παχύτερα ινίδια (διάμετρος περί τα 25 nm), και αποτελούν κύριο σύστημα στήριξης του ευκαρυωτικού κυττάρου. Αναδιοργανώνονται σε εντυπωσιακές διατάξεις, μέσα στα διαιρούμενα κύτταρα, όπου συμβάλλουν στον διπλασιασμό των διαχωρισμένων χρωμοσωμάτων, και την μετακίνησή τους σε αντίθετες κατευθύνσεις, προκειμένου να κατανεμηθούν ισόποσα στα δύο θυγατρικά κύτταρα. Το σύνολο των διαφορετικών ινιδίων του κυτταροσκελετού, προσδίδει μηχανική ισχύ στο κύτταρο, ελέγχει το σχήμα του και καθοδηγεί τις κινήσεις του. Δηλαδή, το συγκεκριμένο σύστημα ελέγχει το σχήμα του κυττάρου αλλά και τα εσωτερικά του χαρακτηριστικά. Αυτό είναι απαραίτητο και για τα ζωικά κύτταρα που είναι ελεύθερα να κάμπτονται και να μετακινούνται, ενώ τα φυτικά κύτταρα περικλείονται από το κυτταρικό τοίχωμα. Ο κυτταροσκελετός είναι η οδός μετακίνησης οργανιδίων, με μεγάλη ταχύτητα, στο εσωτερικό του κυττάρου. Γενικά, το εσωτερικό του κυττάρου (κυτταρόπλασμα) δεν είναι καθόλου στατικό και τα συστατικά του κυττάρου μετακινούνται με μεγάλη ταχύτητα.
Εικόνα 1.9: Τα μείζονα χαρακτηριστικά της εσωτερικής δομής ενός ευκαρυωτικού κυττάρου. Το σχέδιο αναπαριστά ένα τυπικό ζωικό κύτταρο, αλλά σχεδόν το σύνολο των χαρακτηριστικών αυτών εντοπίζεται στα φυτικά κύτταρα και στους μύκητες. Τα φυτικά κύτταρα περιέχουν και χλωροπλάστες και περιβάλλονται από κυτταρικό τοίχωμα. 1.4: ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ Εξακολουθεί να παραμένει άγνωστο το πότε τα ευκαρυωτικά κύτταρα ανέπτυξαν τα κυτταρικά τους οργανίδια, τα οποία έτσι και αλλιώς δεν υπάρχουν στα προκαρυωτικά κύτταρα. Τα ευκαρυωτικά κύτταρα πρέπει να απέκλιναν από τα βακτήρια και τα αρχαιοβακτήρια σε κάποια φάση της εξέλιξης, και προφανώς τα ευκαρυωτικά κύτταρα δεν απέκτησαν τα χαρακτηριστικά τους σε μία στιγμή. Σύμφωνα με μία θεωρία το αρχέγονο ευκαρυωτικό κύτταρο τρεφόταν συλλαμβάνοντας άλλα κύτταρα. Αυτός ο τρόπος επιβίωσης προϋποθέτει μεγάλο μέγεθος, εύκαμπτη μεμβράνη και ύπαρξη κυτταροσκελετού, που βοηθούν το κύτταρο να μετακινείτα και να τρέφεται. Ο πυρήνας ίσως αναπτύχθηκε για να προστατεύσει το εύθραυστο DNA, από τις κινήσεις του κυτταροσκελετού. Ένας τέτοιος αρχέγονος ευκαρυώτης, με πυρήνα και πιθανότατα κυτταροσκελετό καταβρόχθισε προγονικά αυτόνομα αερόβια βακτήρια, που ήταν πρόδρομοι των μιτοχονδρίων. Αυτή η συμβίωση θεωρείται πως καθιερώθηκε πριν από 1.5 χρόνια, όταν η ατμόσφαιρα της Γης έγινε πλούσια σε Ο. Αργότερα, ένα υποσύνολο αυτών των κυττάρων απέκτησε χλωροπλάστες καταβροχθίζοντας φωτοσυνθετικά βακτήρια. Η θεωρία αυτή επιβεβαιώνεται από την ύπαρξη των πρωτοζώων και ανώτερων ευκαρυωτών, με μιτοχόνδρια (ποικίλης δομής), ύπαρξη ή μη των χλωροπλαστών, και ύπαρξη ή έλλειψη φωτοσυνθετικής ικανότητας. Συνοπτική εξέλιξη των ευκαρυωτικών κυττάρων
Πρωτόζωα: είναι αυτόνομοι, πολύ ευκίνητοι, προγονικοί ευκαρυωτικοί οργανισμοί, οι οποίοι παρατηρούνται μέχρι σήμερα (θεωρούνται ζωντανά απολιθώματα). Το Didinium για παράδειγμα είναι ένα πρωτόζωο μεγέθους 150 μm (με μέγεθος 10πλάσιο από τη διάμετρο ενός συνήθους ευκαρυωτικού κυττάρου). Έχει σφαιρικό σώμα, που καλύπτεται από δύο σειρές βλεφαρίδων. Το πρόσθιο άκρο του είναι επιπεδωμένο, με μία μονήρη προεξοχή, που μοιάζει με ρύγχος. Μέσω του χτυπήματος των βλεφαρίδων του, το Didinium κολυμπάει πολύ γρήγορα, και μόλις συναντήσει ένα κατάλληλο θήραμα (συνήθως πρωτόζωο άλλου είδους) απελευθερώνει πολυάριθμες παραλυτικές άκανθες από το ρύγχος του. Κατόπιν το Didinium συνάπτεται στο άλλο άκρο του κυττάρου και το καταβροχθίζει, προκειμένου να περικλείσει το θύμα του, το οποίο είναι σχεδόν εξίσου μεγάλο. Στα πρωτόζωα συμπεριλαμβάνονται ορισμένα από τα πιο πολύπλοκα κύτταρα. Ανάλογη ποικιλία εμφανίζει και η συμπεριφορά τους: μπορεί να είναι φωτοσυνθετικά ή σαρκοφάγα, κινητά ή ακίνητα. Η κυτταρική τους ανατομία είναι σύνθετη και περιλαμβάνει δομές όπως: αισθητικά τριχίδια, φωτοϋποδοχείς, βλεφαρίδες, μίσχους, στόματα, ρύγχη, κεντριά και συστελλόμενα δεμάτια, παρόμοια με αυτά των μυϊκών κυττάρων. Αν και είναι μονοκύτταρα, τα πρωτόζωα μπορούν να συμπεριφέρονται πολύπλοκα και ευέλικτα όπως και οι πολυκύτταροι οργανισμοί. Εικόνα 1.10: Τα τρία βασίλεια του έμβιου κόσμου. Η ταξινόμηση αυτή βασίζεται σε μελέτες για την μεταβολή της αλληλουχίας μίας RNA υπομονάδας, όμοιας λειτουργίας σε κάθε είδος. Η απόσταση μεταξύ των οργανισμών αντιστοιχεί σε εύρος εξελικτικών αλλαγών. Οι γκρίζες περιοχές αντιπροσωπεύουν αβεβαιότητες για την σειρά και το πλήθος των αλλαγών. 1.5: ΠΡΟΤΥΠΟΙ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ Πρότυποι οργανισμοί: είναι οργανισμοί, οι οποίοι είναι εύκολο να μελετηθούν στο εργαστήριο. Αναπαράγονται γρήγορα με επαρκή αριθμός απογόνων ανά γενιά για μελέτη, και προσφέρονται εύκολα σε γενετικές παρεμβάσεις. Άλλοι είναι μεν πολυκύτταροι οργανισμοί, αλλά διαφανείς, διευκολύνοντας έτσι την άμεση μελέτη της ανάπτυξης όλων των εσωτερικών ιστών και οργάνων τους. Οι πληροφορίες από τις σχετικές μελέτες βοηθούν να κατανοήσουμε πως λειτουργούν όλα τα κύτταρα.
ESCHERICHIA COLI Είναι το βασικό είδος που μελετάται από το βασίλειο των βακτηρίων. Πρόκειται για ένα μικρό ραβδόμορφο ευβακτηριακό κύτταρο, το οποίο διαβιεί στο έντερο του ανθρώπου και άλλων σπονδυλωτών και αυξάνει εύκολα σε θρεπτικό ζωμό, εντός φιάλης καλλιέργειας. Αναπτύσσεται σε ποικίλες συνθήκες και αναπαράγεται με ταχύ ρυθμό. Οι γενετικές του οδηγίες περιέχονται σε ένα μικρό μόριο DNA, μήκους 4.6 ζευγών νουκλεοτιδίων περίπου και δύναται να συνθέσει 4600 διαφορετικές πρωτεΐνες. Σε μοριακό επίπεδο οι γνώσεις για το για το E.coli είναι πολύ περισσότερες από ότι για οποιονδήποτε άλλο ζωντανό οργανισμό. Μέσω του E.coli αποκτήθηκαν οι βασικές γνώσεις για την αντιγραφή και την μεταγραφή του DNA, αλλά και για την δομή και τις αλλαγές που μπορεί να υποστεί. SACCHAROMYCES CEREVISIAE Πρόκειται για την μαγιά της μπύρας και είναι ο πρότυπος ευκαρυωτικός οργανισμός. Τα κύτταρα του ανθρώπου είναι γενικά πολύπλοκα και δεν προσφέρονται εύκολα για πειραματική μελέτη. Για τις γενετικές μελέτες απαιτείται ένα μονοκύτταρο είδος το οποίο είναι απλό, ανθεκτικό και αναπαράγεται γρήγορα. Ο ζυμομύκητας είναι η ενδεδειγμένη επιλογή. Ο ίδιος χρησιμοποιείται από αρτοποιούς, οινοποιούς και ζυθοποιούς. Είναι ένας μικρός μονοκύτταρος μύκητας, ο οποίος συγγενεύει τόσο με τα ζώα όσο και με τα φυτά. Όπως και οι υπόλοιποι μύκητες, διαθέτει άκαμπτο κυτταρικό τοίχωμα, είναι σχετικά ακίνητος και περιέχει μιτοχόνδρια αλλά όχι χλωροπλάστες. Παρουσία άφθονης τροφής αναπαράγεται εξίσου γρήγορα με ένα βακτήριο. Ο πυρήνας του περιέχει 2.5 φορές περισσότερο DNA από τον πυρήνα του E.coli, και λόγω του μεγέθους του γενετικού του υλικού προσφέρεται για γενετικές μελέτες. Παρόλο που το γονιδίωμα του S.cerevisiae είναι μικρό, σε σχέση με αυτό του ανθρώπινου κυττάρου, επιτελεί όλες τις βασικές λειτουργίες που πρέπει να επιτελεί ένα ευκαρυωτικό κύτταρο. Γενετικές και βιοχημικές μελέτες που πραγματοποιήθηκαν με αντικείμενο τον ζυμομύκητα βοήθησαν να κατανοηθεί ο μηχανισμός της κυτταρικής διαίρεσης (και του κυτταρικού κύκλου). Επειδή ο μηχανισμός αυτός είναι διατηρημένος, κατά την εξέλιξη, τα βασικά του στοιχεία είναι ίδια στα ανθρώπινα κύτταρα αλλά και στην ζύμη. Αν ένα μεταλλαγμένο κύτταρο ζύμης απωλέσει ένα γονίδιο απαραίτητο για την κυτταρική διαίρεση, ο εφοδιασμός του με το αντίστοιχο ανθρώπινο γονίδιο διορθώνει την βλάβη και επιτρέπει στην ζύμη να διαιρεθεί κανονικά. ARABIDOPSIS THALIANA Οι προκαρυώτες και οι ευκαρυώτες διαχωρίστηκαν πριν από 3 χρόνια. Τα φυτά, τα ζώα και οι μύκητες διαχωρίστηκαν πριν από 1.5 χρόνια, ενώ τα ψάρια και τα θηλαστικά πριν από 450 χρόνια και τέλος τα διαφορετικά είδη των ανθοφόρων φυτών πριν από 200 χρόνια.
Όπως φαίνεται, τα φυτά έχουν στενότερη εξελικτική σχέση με σημερινούς ευκαρυώτες, και άρα αυτό σημαίνει πως είναι δυνατή η απόκτηση πληροφοριών σχετικά με την κυτταρική και την μοριακή βιολογία τους, εστιάζοντας την προσοχή σε λίγα είδη που προσφέρονται για περισσότερο λεπτομερή ανάλυση. Το επιλεγμένο πρότυπο φυτό είναι το Α.thaliana, ένα μικρό ζιζάνιο, το οποίο αυξάνει σε εσωτερικό χώρο, σε 8-10 εβδομάδες. Το γονιδίωμά του έχει μήκος 110 ζευγών βάσεων (8πλάσιο του γονιδιώματος της ζύμης) και η αλληλουχία αυτού είναι γνωστή στο σύνολό της. Η μελέτη του φανερώνει στοιχεία για την γενετική, την μοριακή βιολογία και την εξέλιξη των ανθοφόρων φυτών, που κυριαρχούν σχεδόν σε κάθε χερσαίο οικοσύστημα. Τα γονίδια του A.thaliana έχουν ομόλογα σε πολλά είδη καλλιεργούμενων φυτών, και έτσι η μελέτη του προσφέρει ενδείξεις σχετικά με την ανάπτυξη και την φυσιολογία των φυτών. DROSOPHILA MELANOGASTER Τα περισσότερα είδη των ζώων είναι έντομα, όπως και η D.melanogaster, η οποία είναι ένα είδος μύγας που κατέχει κεντρική θέση στην βιολογική έρευνα. Η κλασσική γενετική θεμελιώθηκε, εν πολλοίς, σε μελέτες επί της D.melanogaster. Η μελέτη της απέδειξε οριστικά πως τα γονίδια μεταφέρονται στα χρωμοσώματα, ενώ η πρόσφατη μελέτη της παρέχει στοιχεία για το πώς το ζυγωτό εξελίσσεται σε ένα πλήρη και πολύπλοκο οργανισμό, με επακριβώς προβλέψιμο τρόπο. Τα γονίδια που μεταφέρονται σε κάθε κύτταρο, καθορίζουν με προβλέψιμο τρόπο τις αλληλεπιδράσεις του κυττάρου με τα περιβάλλοντα κύτταρα. Στην Drosophila ιχνηλατήθηκε η σχέση αιτίου-αποτελέσματος, από τις γενετικές οδηγίες που κωδικοποιεί το DNA, έως τις πολύπλοκες δομές ενός πολυκύτταρου οργανισμού. Επιπλέον, τα γονίδια αυτής της μύγας μοιάζουν εντυπωσιακά με τα γονίδια του ανθρώπου, οπότε η Drosophila είναι πρότυπο για την ανάπτυξη του ανθρώπου και την μελέτη ανθρώπινων ασθενειών. Το γονιδίωμα της μύγας έχει μέγεθος 185 ζευγών βάσεων και κωδικοποιεί λίγο περισσότερα από 13000 γονίδια (πολλά γονίδια είναι ομόλογα με αυτά του ανθρώπου και μάλιστα σε αυτά συμπεριλαμβάνονται γονίδια με κρίσιμο ρόλο την παθογένεση νοσημάτων του ανθρώπου). CAENORHABDITIS ELEGANS Πρόκειται για έναν νηματώδη σκώληκα, που είναι άκακος συγγενής των σκουληκιών που προσβάλλουν τις καλλιέργειες. Είναι μικρότερος και απλούστερος από την Drosophila. Αναπτύσσεται με προβλέψιμο τρόπο, από ένα γονιμοποιημένο ωάριο, σε ένα ενήλικο ον με 959 σωματικά κύτταρα ακριβώς, και επιπλέον, με μεταβλητό αριθμό ωαρίων και σπερματοζωαρίων. Είναι γνωστή επακριβώς, η διαδικασία με την οποία πραγματοποιούνται διαιρέσεις, μετακινήσεις και λειτουργικές εξειδικεύσεις, σύμφωνα με αυστηρούς και προβλέψιμους κανόνες. Το γονιδίωμά του έχει μήκος 97 ζευγών βάσεων και περίπου 19000 γονίδια και έχει αναλυθεί πλήρως. Υπάρχουν και άφθονα μεταλλαγμένα στελέχη, τα οποία προσφέρονται για τον έλεγχο της λειτουργίας των γονιδίων αυτών. Για το 70% των ανθρώπινων πρωτεϊνών, υπάρχει και μία ομόλογη στον σκώληκα. Είναι λοιπόν, όπως και η Drosophila, πρότυπος οργανισμός για πολλές από τις διεργασίες που συμβαίνουν στον
άνθρωπο. Οι μελέτες επί αυτού του σκώληκα οδήγησαν στην κατανόηση του προγραμματισμένου κυτταρικού θανάτου, μίας διεργασίας με την οποία το σώμα απαλλάσσεται από τα πλεονάζοντα κύτταρα. Το ζήτημα αυτό είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση του καρκίνου. RATTUS NORVEGICUS Είναι ο πρότυπος οργανισμός για την μελέτη της γενετικής, της ανάπτυξης, της ανοσολογίας και της κυτταρικής βιολογίας. Είναι δυνατόν να εκτραφούν ποντικοί με κατευθυνόμενες μεταλλάξεις σε οποιοδήποτε γονίδιο, ή ποντικοί στους οποίους έχουν εισαχθεί τεχνητές γονιδιακές κατασκευές. Έτσι διαπιστώνεται η λειτουργία των γονιδίων και που εξυπηρετεί το επιμέρους γονίδιο. Σχεδόν για κάθε γονίδιο του ανθρώπου υπάρχει ένα ομόλογο στον ποντικό. HOMO SAPIENS Ασφαλώς, ο άνθρωπος διαφέρει πολύ από όλους τους παραπάνω οργανισμούς, οπότε ένα μεγάλο τμήμα της Βιολογίας επικεντρώνεται στην μελέτη των ανθρώπινων κυττάρων, τα οποία μπορούν να αναπτυχθούν και να επιζήσουν σε τρυβλίο καλλιέργειας. Αν και οι μεταλλάξεις συντελούνται σε οποιοδήποτε γονίδιο πολύ σπάνια, είναι γνωστές οι επιπτώσεις των μεταλλάξεων σε χιλιάδες διαφορετικά γονίδια χωρίς την συμβολή μεθόδων της γενετικής μηχανικής. Αυτό εξηγείται γιατί ο άνθρωπος είναι το μόνο είδος που καταγράφει τα γενετικά του σφάλματα. Παρόλες τις έρευνες, οι διεργασίες που παραμένουν άγνωστες είναι πάρα πολλές και η κατανόηση μίας και μόνο διεργασίας πολύ πολύπλοκη. Ωστόσο, το γεγονός πως όλα τα ζώα έχουν κοινή προέλευση και επομένως μοιράζονται τους ίδιους μοριακούς μηχανισμούς καθιστά τις γενετικές μελέτες πιο εύκολες και ελπιδοφόρες. 1.6: ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΑΛΛΗΛΟΥΧΙΑΣ ΓΟΝΙΔΙΩΜΑΤΟΣ Εξελικτική διατήρηση: είναι η διαδικασία, η οποία αποτελεί την βάση της Μοριακής Βιολογίας. Σε μοριακό επίπεδο, οι αλλαγές συμβαίνουν με πολύ βραδύ ρυθμό και πολλά χαρακτηριστικά των σύγχρονων οργανισμών έχουν διατηρηθεί κατά την διάρκεια των 3 ετών, που υπάρχει στην Γη (το 1/5 της ηλικίας του σύμπαντος). Εντοπίζονται έτσι οι συγγενικές σχέσεις και οι ομοιότητες μεταξύ των έμβιων όντων. Εύρεση συγγενικών σχέσεων μεταξύ οργανισμών: πρόκειται για μία διαδικασία, η οποία επιτελείται στα εξής βήματα: Ανάλυση αλληλουχίας γονιδιώματος οργανισμών: εξετάζεται η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων, που αποτελούν το γονιδίωμα ενός οργανισμού (ή είδους). Η ανάλυση της αλληλουχίας του DNA διευκόλυνε την ανίχνευση της συγγένειας μεταξύ διαφόρων γονιδίων. Αν δύο γονίδια, δύο διαφορετικών οργανισμών, έχουν παρόμοια λειτουργία
και αλληλουχία, είναι πιθανόν να προέρχονται από τον ίδιο πρόγονο (ένα κοινό αρχέγονο γονίδιο) και ονομάζονται ομόλογα γονίδια. Αναζήτηση ομόλογων γονιδίων σε οργανισμούς: σήμερα, έχει αναλυθεί το γονιδίωμα αντιπροσωπευτικών οργανισμών και από τις 3 «επικράτειες» της ζωής (αρχαιοβακτήρια, ευβακτήρια και ευκαρυώτες). Είναι εφικτή έτσι, η συστηματική αναζήτηση ομολογιών, σε όλο το τεράστιο εξελικτικό φάσμα. Με αυτή την προσέγγιση, αρχίζει και γίνεται κατανοητή, σταδιακά, η εξελικτική σχέση των ειδών μεταξύ τους, αλλά και η ιχνηθέτηση της εμφάνισης της ζωής στα αρχέγονα γονίδια. Πολλά όμως από τα αρχέγονα γονίδια έχουν χαθεί ή έχουν υποστεί πολλές μεταλλάξεις, ώστε δύσκολα αναγνωρίζονται ως συγγενικά, και αυτές είναι οι βασικές δυσκολίες αυτού του εγχειρήματος. Με παρόμοιο τρόπο μπορεί να γίνει η πρόβλεψη και η αναζήτηση ομόλογων γονιδίων/πρωτεϊνών σε διαφορετική επικράτεια. Κοινά γονίδια μεταξύ των οργανισμών: η σύγκριση των γονιδίων μεταξύ 5 ευβακτηρίων, ενός αρχαιοβακτηρίου και ενός ευκαρυώτη (ζυμομύκητας), απεκάλυψε μία ομάδα 239 οικογενειών γονιδίων (που κωδικοποιούν πρωτεΐνες), οι οποίες αντιπροσωπεύονται και στις 3 επικράτειες. Τα περισσότερα γονίδια έχουν γνωστή λειτουργία και οι πιο πολλές κοινές οικογένειες περιλαμβάνουν γονίδια που εμπλέκονται στον μεταβολισμό και στην μεταφορά αμινοξέων, όπως επίσης και στην παραγωγή και την λειτουργία των ριβοσωμάτων. Στην σύγχρονη εποχή, για να είναι ένα κύτταρο βιώσιμο χρειάζεται τουλάχιστον 200-300 γονίδια. Κατά κανόνα, στην πραγματικότητα, οι πολυπλοκότεροι οργανισμοί έχουν περισσότερα γονίδια. Ωστόσο, οι προκαρυώτες, που έχουν πολύ μικρό γενετικό πλεόνασμα, έχουν γονιδίωμα τουλάχιστον ζευγών βάσεων, που περιέχει 1000-8000 γονίδια (ο μικρότερος αριθμός γονιδίων έχει εντοπιστεί στο πρωτόζωο Mycoplasma genitalium, το οποίο έχει 468 γονίδια). Με αυτές τις λίγες χιλιάδες γονίδια, τα βακτήρια επιβιώνουν ακόμη και στα πιο εχθρικά περιβάλλοντα στην Γη. Ομόλογα γονίδια: είναι γονίδια, διαφορετικών οργανισμών, τα οποία έχουν παρόμοια αλληλουχία και συνεπώς λειτουργία, και πιθανότατα προέρχονται από το ίδιο αρχέγονο γονίδιο. Αριθμός γονιδίων στους οργανισμούς: το συμπαγές γονιδίωμα των βακτηρίων είναι συντριπτικά μικρότερο από το γονιδίωμα των συνήθων ευκαρυωτών. Το ανθρώπινο γονιδίωμα έχει 700 φορές περισσότερο DNA από το γονιδίωμα του E.coli, ενώ συγκριτικά με τον άνθρωπο, ένα κύτταρο φτέρης έχει 100 φορές περισσότερο DNA. Ωστόσο, από την άποψη του αριθμού γονιδίων οι διαφορές δεν είναι τόσο μεγάλες. Ο άνθρωπος έχει μόλις 7 φορές περισσότερα γονίδια από το E.coli, ενώ τα περίπου 30000 γονίδια του ανθρώπινου γονιδιώματος, όπως και οι πρωτεΐνες του ανθρώπου, κατατάσσονται σε οικογένειες (π.χ. η οικογένεια των ανοσοσφαιρινών με 9 πολύ συγγενικά μέλη στον άνθρωπο). Σημαντική αναλογία των γονιδίων αυτών είναι ομόλογος στον άνθρωπο και στο βακτήριο, ενώ συνολικά ο αριθμός των βακτηρίων μεταξύ του E.coli και του ανθρώπου δεν είναι τόσο μεγάλος. Ένα μεγάλο μέρος του ανθρώπινου DNA δεν αντιστοιχεί σε γονίδια, ωστόσο εκεί περιέχεται ρυθμιστικό DNA, το οποίο βοηθάει στην ενεργοποίηση συγκεκριμένων γονιδίων.