Περιεχόμενα
Περιεχόμενα
ΤΟΜΟΣ Α
Κεφάλαιο 1: Αρχές της κυτταρικής οργάνωσης και λειτουργείας
1.1 Η ποικιλότητα της ζωής
1.2 Οι ιοί
1.3 Προκαρυωτικό-ευκαρυωτικό κύτταρο
1.4 Μοριακή οργάνωση κυττάρων
Κεφάλαιο 2: Δομή και λειτουργεία της πλασματικής μεμβράνης
2.1 Οι λειτουργείες των μεμβρανών
2.2 Η μοριακή σύσταση των μεμβρανών
2.3 Η μοριακή οργάνωση των μεμβρανών
2.4 Η διαπερατότητα της μεμβράνης στα μικρομόρια
Κεφάλαιο 3: Κυτταρικές αλληλεπιδράσεις.
3.1 Διαφοροποιήσεις της κυτταρικής μεμβράνης
3.2 Εξωκυτταρική ύλη
3.3 Κυτταρική αναγνώριση και προσκόλληση
3.4 Κυτταρική επικοινωνία
Κεφάλαιο 4: Κυτταροπλασματικό σύστημα μεμβρανών
4.1 Το ενδοπλασματικό δίκτυο
4.2 Σύμπλεγμα Golgi
4.3 Σύνθεση, διαλογή, ωρίμανση πρωτεϊνών
4.4 Η μετακίνηση των πρωτεϊνών διαμέσου του ενδομαμβρανικού δικτύου γίνεται με
κυστίδια
4.5 Κυτταρική πρόσληψη σωματιδίων και μακρομορίων
4.6 Λυοσώματα και κυτταρική πέψη
Κεφάλαιο 5: Αυτοαναπαραγόμενα κυτταροπλασματικά οργανίδια.
5.1 Μιτοχόνδρια
5.2 Χλωροπλάστες
5.3 Υπεροξειδιοσώματα
5.4 Είσοδος πρωτεϊνών στα μιτοχόνδρια, χώροπλάστες και υπεροξειδιοσώματα.
Κεφάλαιο 6: Κυτταροσκελετός-κυτταρικές κινήσεις.
6.1 Η οργάνωση του κυτταροσκελετού
6.2 Μικροσωληνίσκοι
6.3 Μικροϊνίδια
6.4 Ενδιάμεσα ινίδια
6.5 Η κίνηση είναι βασική κυτταρική ιδιότητα
1
Περιεχόμενα
6.6 Κίνηση βλεφαρίδων – μαστιγίων
6.7 Κίνηση κυτταρικων δομών – οργανιδίων
6.8 Μυϊκή συστολή
6.9 Κίνηση στα μη μυϊκά κύτταρα
Κεφάλαιο 9: Πυρήνας.
7.1 Η δομή του πυρήνα
7.2 Χρωματοσώματα: μορφολογικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά
7.3 Χρωματοσώματα: μοριακή οργάνωση
7.4 Η δυναμική των χρωματοσωμάτων
Κεφάλαιο 8: Κυτταρική αύξηση και διαίρεση.
8.1 Κυτταρικός κύκλος
8.2 Μίτωση
8.3 Κυτταροδιαίρεση
8.4 Μείωση
8.5 Η ρύθμιση του κυτταρικού κύκλου
8.6 Έλεγχος του αριθμού των κυττάρων και απόπτωση
8.7 Αμφιγονική αναπαραγωγή.
ΤΟΜΟΣ Β
Κεφάλαιο 1: Εισαγωγικές ένοιες στη βιοχημεία.
1.1 Τι είναι και τι μελετά η βιοχημεία
1.2 Οι νόμοι που διέπουν την ζωντανή ύλη
Κεφάλαιο 2: Πρωτεΐνες – Τα μόρια εργαλεία των ζωντανών οργανισμών
2.1 Τα δομικά συστατικά των πρωτεϊνών
2.2 Η τρισδιάστατη διαμόρφωση των πρωτεϊνών
2.2.1 Πρωτοταγής δομή πρωτεϊνών
2.2.2 Δευτεροταγής δομή πρωτεϊνών
2.2.3 Τριτοταγής δομή πρωτεϊνών
2.2.4 Τεταρτοταγής δομή πρωτεϊνών
2.3 Δομικές λειτουργικές πρωτεΐνες
2.4 Ένζυμα
2.4.1 Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα των ενζυμικών αντιδράσεων
2.4.2 Η εξειδίκευση των ενζύμων
2.4.3 Κατάταξη των ενζύμων
2.5 Σχέση δομής και λειτουργίας
Κεφάλαιο 3: Παραγωγή ενέργειας στους ζωντανούς οργανισμούς
3.1 Οι πηγές ενέργειας των ζωντανών οργανισμών
3.1.1 Το αδενοσινοτριφωσφορικό οξύ εξελίχθηκε ως το κύριο μόριο αποθήκευσης
χημικής ενέργειας στους ζωντανούς οργανισμους
2
Περιεχόμενα
3.1.2 Στους ετερότροφους οργανισμούς οι κύριες τροφές είναι υδατάνθρακες, λίπη
και πρωτεΐνες.
3.1.3 Προκειμένου μια ουσία να αξιοποιηθεί ενεργειακά από έναν αερόβιο
οργανισμό, πρέπει να μετατραπεί σε ακετυλομάδες
3.2 Ο κύκλος των τρικαρβονικών οξέων
3.2.1 Η αναγέννηση των συνενζύμων είναι μια απαραίτητη και συνεχής διεργασία
3.2.2 Ο κύκλος του Krebs αποτελεί πηγή πρόδρομων ενώσεων για άλλες μεταβολικές
οδούς. Αναπληρωματικές αντιδράσεις.
3.2.3 Ο κύκλος του γλυοξυλικού οξέος
3.3 Η αναπνευστική αλυσίδα
3.3.1 Η μεταφορά ηλεκτρονίων σε άλλα συστήματα
3.3.2 Η εξουδετέρωση προϊόντων μερικής αναγωγής του οξυγόνου.
3.4 Οξειδωτική φωσφορυλίωση
3.5 Φωτοσύνθεση – Μετατροπή της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας σε χημική
3.6 Το χημειωσμοτικό φαινόμενο
3.6.1 Παραγωγή ενέργειας στη σύνθεση ΑΤΡ από τη διαβάθμιση πρωτονίων.
Κεφάλαιο 4: Καταβολισμός υδατανθράκων, λιπών και πρωτεϊνών. Παραγωγή
ακετυλομάδων.
4.1 Καταβολισμός υδατανθράκων
4.1.1 Αποικοδόμηση των πολυσακχαριτών
4.1.2 Φωσφορυλιτική διάσπαση πολυσακχαριτών
4.1.3 Καταβολισμός της γλυκόζης
4.2 Καταβολισμός λιπιδίων
4.2.1 Τα είδη των λιπιδίων
4.2.2 Αποικοδόμιση σύνθετων λιπιδίων
4.2.3 Η μεταβολική τύχη της χολιστερίνης
4.3 Καταβολισμός πρωτεϊνών
4.3.1 Η μεταβολική τύχη των αμινοξέων
Κεφάλαιο 5: Βιοσύνθεση υδατανθράκων, λιπιδίων και αμινοξέων. Αποθήκευση
ενέργειας.
5.1 Βιοσύνθεση υδατανθάκων
5.1.1 Γλυκονεογέννεση-σύνθεση υδατανθράκων από μη υδατανθρακούχες πηγές.
5.1.2 Αναγωγή CO2 και δημιουργία υδατάνθρακα με τον φωτοσυνθετικό μηχανισμό
5.1.3 Μετατροπή της γλυκόζης σε γαλακτόζη και σύνθεση δισακχαριτών
5.1.4 Βιοσύνθεση γλυκογόνου και αμίλου
5.2 Βιοσύνθεση λιπιδίων
5.2.1 Βιοσύνθεση λιπαρών οξέων
5.2.2 Βιοσύνθεση τριγλυκεριδίων
5.2.3 Βιοσύνθεση φωσφογλυκεριδίων
5.2.4 Βιοσύνθεση ισοπρενοειδών λιπιδίων
5.3 Βιοσύνθεση αμινοξέων
5.3.1 Βιολογική καθήλωση του αζώτου
5.3.2 Προέλευση του από άνθρακα σκελετού των αμινοξέων
5.3.3 Βιολογικών σημαντικά παράγωγα αμινοξέων
5.3.4 Είσοδος των αμινοξέων μέσα στα κύτταρα.
3
Περιεχόμενα
Κεφάλαιο 6: Νουκλεϊνικά οξέα-Τα μόρια αποθήκευσης και μεταφοράς της
γενετικής πληροφορίας.
6.1 Τα είδη των νουκλεϊνικών οξέων και τα συστατικά τους
6.1.1 Τα νουκλεϊκά οξέα αποτελούνται από νουκλεοτίδια
6.1.2 Τα νουκλεϊκά οξέα είναι πολυνουκλεοτίδια
6.2 Δομές του DNA και RNA
6.2.1 Η διπλή έλικα του DNA
6.2.2 To DNA συμπλοκοποιείται με πρωτεΐνες
6.2.3 Ανώτερες διαμορφώσεις μορίων RNA
6.2.4 Και το RNA συμπλοκοποιείται με πρωτεΐνες
6.2.5 Η αλληλεπίδραη των νουκλεϊκών οξέων με πρωτεΐνες δεν είναι τυχαία
6.2.6 Τα νουκλεϊκά οξέα αλληλεπιδρούν και με άλλα νουκλεϊκά οξέα
6.2.7 Τα νουκλεϊκά οξέα αλληλεπιδρούν και με ιόντα και μικρά μόρια
6.3 Βιοσύνθεση των συστατικών των νουκλεϊτικών οξέων
6.3.1 Βιοσύνθεση πυριμιδινο-νουκλεοτιδίων
6.3.2 Βιοσύνθεση πουρινο-νουκλεοτιδίων
6.3.3 Βιοσύνθεση των δι- και τριφωσφορικών εστέρων νουκλεοζιτών
6.3.4 Βιοσύνθεση δεοξυριβονουκλεοτιδίων
6.4 Βιοσύνθεση δεοξυθυμιδυλικού οξέος
6.4.1 Ιδιότητες του ενζυμικού συστήματος που συνθέτει DNA
6.4.2 Η διαδικασία σύνθεσης του DNA δεν είναι η ίδια για τους δυο κλώνους, αν και
γίνεται με το ίδιο ένζυμο
6.4.3 Βιοσύνθεση DNA με εκμαγείο RNA
6.5 Επιδιόρθωση του DNA
6.6 Βιοσύνθεση RNA
6.6.1 Ωρίμανση του RNA
6.7 Καταβολισμός των νουκλεϊκών οξέων
6.7.1 Η αποικοδόμηση των νουκλεϊνικών οξέων γίνεται υδρολυτικά
6.7.2 Οι πουρίνες οξειδώνονται και αποβάλλονται με διάφορες μορφές ανάλογα με
τον οργανισμό
6.7.3 Οι πυριμιδίνες μετατρέπονται σε β-αμινοξέα, ΝΗ3 και CO2.
Κεφάλαιο 7:
7.1 Ο γενετικός κώδικας. Η στρατηγική που εμφανίστηκε και επικράτησε κατά την
εξέλιξη σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς για μεταφορά της γεννετικής
πληροφορίας από το DNA στις πρωτεΐνες.
7.1.1 Μεταγραφή της γενετικής πληροφορίας από το DNA σε μόρια αγγελιοφό-ρου
RNA (mRNA).
7.1.2 Ο γεννετικός κώδικας
7.1.3 Μετάφραση του γεννετικού κώδικα. Η βιοσύνθεση των πρωτεϊνών.
7.2 Συμπλήρωση και ολοκλήρωση της δομής των πρωτεϊνών
7.2.1 Οι πρωτεΐνες υφίστανται μετα-μεταφραστικές τροποιήσεις
7.2.2 Η συγκρότηση των ανωτέρων διαμορφώσεων των πρωτεϊνών
7.3 Η ορθή ενδοκυτταρική εντόπιση των πρωτεϊνών
Κεφάλαιο 8:
8.1 Το νερό στα ζωντανά συστήματα
4
Περιεχόμενα
8.1.1 Το νερό είναι ο μόνος διαλύτης στους ζωντανούς οργανισμούς
8.1.2 Το νερό σταθεροποιεί δομές
8.3.1 Το νερό συμμετέχει ως αντιδρών σώμα σε πολλές ενζυμικές αντιδράσεις
8.2 Ανόργανα ιόντα στα ζωντανά συστήματα
8.2.1 Η μετακίνηση ανόργανων ιόντων μέσα από μεμβράνες
8.2.2 Τα κατιόντα
8.2.3 Τα ανιόντα
8.3 Βιταμίνες
8.3.1 Υδατοδιαλυτές βιταμίνες
8.3.2 Λιποδιαλυτές βιταμίνες
Κεφάλαιο 9:
9.1 Ρυθμιστικά μόρια
9.1.1 Ορμόνες παράγονται σε ενδοκρινείς αδένες και δρουν κατά κανόνα σε απομακρυσμένα κύτταρα
9.1.2 Νευροδιαβιβαστές ελευθερώνονται σε νευρικές απολήξεις και μεταβάλλουν τη
δραστηριότητα γειτονικών νευρώνων ή επηρεάζουν τη δράση κάποιου οργά-νου στην
περιφέρεια
9.1.3 Αυξητικοί παράγοντες είναι πολυπεπτίδια που προκαλούν υπερτροφία ή
υπερπλασία των κυττάρων-στόχων
9.1.4 Κυττοκίνες είναι πρωτεΐνες με πλειοτροπικές δράσεις
9.2 Μοριακοί μηχανισμοί μεταφοράς μηνυμάτων
9.2.1 Μεμβρανικοί υποδοχείς.
9.2.2 Διαλυτοί υποδοχείς.
9.2.3 Το Ca2+ ως δεύτερο μήνυμα
ΤΟΜΟΣ Γ
Κεφάλαιο 1: Το γενετικό υλικό.
1.1 Πρίν από το DNA.
1.2 Το γενετικό υλικό των ζωντανών οργανισμων είναι δίκλωνο DNA.
1.2.1 Τα δομικά στοιχεία του DNA που συμβάλλουν στη λειτουργικότητά του
1.3 Το γενετικό υλικό των ιών μπορεί να είναι DNA ή RNA.
1.4 Το RNA συμμετέχει στη μεταφορά της μετάφρασης της γενετικής πληροφορίας
1.4.1 Η μοριακή διαδικασία της μεταφοράς της γενετικής πληροφορίας
1.4.2 Τα δομικά στοιχεία μορίων RNA που συμβάλλουν στη λειτουργικότητά τους
Κεφάλαιο 2: Η αλληλεπίδραση γενετικού κώδικα με πρωτεΐνες.
2.1 Δομικά μοτίβα πρωτεϊνών που αλληλεπιδρούν με νουκλεϊνικά οξέα
2.1.1 Η εξειδικευμένη αλληλεπίδραση DNA-πρωτεϊνών γίνεται σε περιοχές των
πρωτεϊνικών μορίων που έχουν συγκεκριμένα δομικά μοτίβα.
2.1.2 Και πρωτεΐνες που αλληλεπιδρούν με RNA παρουσιάζουν τοπολογικές
ομοιότητες
2.2 Σύμπλοκα νουκλεϊνικών οξέων – πρωτεϊνών
2.2.1 Σύμπλοκα DNA-πρωτεϊνών
2.2.2 Σύμπλοκα RNA-πρωτεϊνών
5
Περιεχόμενα
2.2.3 Ιοί ως νουκλεοπρωτεϊνικά σύμπλοκα
Κεφάλαιο 3: Αντιγραφή του γενετικού υλικού κυτταρικών οργανισμών.
3.1 Η στρατηγική της αντιγραφής του γενετικού υλικού
3.1.1 Η αντιγραφή του DNA γίνεται σε τρία στάδια
3.1.2 Ο μηχανισμός αντιγραφής του DNA είναι ημισυντηρητικός
3.1.3 Η πιστότητα της αντιγραφής του γενετικού υλικού ενισχύεται από μηχανισμό
διόρθωσης σφαλμάτων.
3.2 Αντιγραφή γενετικού υλικού προκαρυωτικών οργανισμών
3.2.1 Έναρξη της αντιγραφής (πρώτο στάδιο).
3.2.2 Επιμήκυνση των κλώνων του DNA (δεύτερο στάδιο).
3.2.3 Τερματισμός της αντιγραφής (τρίτο στάδιο).
3.3 Αντιγραφή του γενετικού υλικού ευκαρυωτικών οργανισμών. Διαφορές με τους
προκαρυωτικούς
3.3.1 Η αντιγραφή των ευκαρυωτικών χρωμοσωμάτων ξεκινά από πολλές περιοχές
έναρξης
3.3.2 Η ενζυμολογία της αντιγραφής του ευκαρυωτικού χρωμοσώματος μοιάζει πολύ
με εκείνη του προκαρυωτικού
3.3.3 Ο τερματισμός της αντιγραφής γραμμικών ευκαρυωτικών χρωμοσωμάτων
γίνεται με διαφορετικό μηχανισμό από εκείνο των προκαρυωτικών κυκλικών
χρωμοσωμάτων
3.3.4 Η δομή της χρωματίνης κατά τη διαδικασία αντιγραφής του γενετικού υλικού
Κεφάλαιο 4: Μεταγραφή του γενετικού υλικού ζωντανών οργανισμών.
4.1 Γονιδιακή έκφραση-Μοριακή διάσταση
4.1.1 Η έννοια του γονιδίου και η λειτουργική του αρχιτεκτονική
4.1.2 Η γονιδιακή έκφραση γίνεται σε διάφορα στάδια ή επίπεδα
4.2 Η στρατηγική της μεταγραφής του γενετικού υλικού
4.2.1 Η μεταγραφή του γενετικού υλικού γίνεται σε τρία στάδια
4.2.2 Έναρξη μεταγραφής (πρώτο στάδιο).
4.2.3 Επιμήκυνση της αλυσίδας του RNA (δεύτερο στάδιο).
4.2.4 Τερματισμός σύνθεσης του RNA (τρίτο στάδιο).
4.3 Μεταγραφή του γενετικού υλικού στους προκαρυωτικούς οργανισμούς
4.4 Μεταγραφή του γενετικού υλικού στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς
4.4.1 Ιδιαιτερότητες που χαρακτηρίζουν τις ευκαρυωτικές πολυμεράσες του RNA και
η επεξεργασία που υφίστανται τα αντίστοιχα μεταγραφήματα. Ωρίμανση RNA
4.4.2 Μεταφορά μορίων RNA από τον πυρήνα στο κυτταρόπλασμα
4.4.3 Η χρωματίνη κατά τη διαδικασία μεταγραφής
Κεφάλαιο 5: Η μετάφραση της γενετικής πληροφορίας. Βιοσύνθεση πρωτεϊνών.
5.1 Ο γενετικός κώδικας
5.1.1 Η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων (βάσεων) σε περιοχές του DNA (δηλ τα
γονίδια) καθορίζει την αλληλουχία των αμινοξέων στις αντίστοιχες πρωτεΐνες
5.1.2 Τα χαρακτηριστικά του γενετικού κώδικα
5.2 Η στρατηγική μετάφρασης της γενετικής πληροφορίας
5.2.1 Τα συστατικά του μεταφραστικού κώδικα
5.2.2 Η γενική στρατηγική του μηχανισμού πρωτεϊνοσύνθεσης
6
Περιεχόμενα
5.2.3 Τα μόρια mRNA μεταφράζονται κατά κανόνα από περισσότερα του ενός
ριβοσώματα ταυτόχρονα
5.3 Η μετάφραση της γενετικής πληροφορίας στους προκαρυωτικούς οργανισ-μούς
5.3.1 Στους προκαρυωτικούς οργανισμούς η μετάφραση είναι συζευγμένη με τη
μεταγραφή της γενετικής πληροφορίας
5.4 Η μετάφραση της γενετικής πληροφορίας στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς
5.4.1 Η ολοκλήρωση της δομής των πρωτεϊνών
7
Τόμος Α
Κυτταρική βιολογία
ΤΟΜΟΣ Α
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1
1.1 Η ποικιλότητα της ζωής.
-
Ιδιότητες ζωντανών οργανισμών: καθορισμένη οργάνωση, μεταβολισμός,
ομοιόσταση, κίνηση, απόκριση σε ερεθίσματα, αύξηση, αναπαραγωγή,
προσαρμοστικότητα.
Τα είδη των οργανισμών είναι περίπου 20 εκατομύρια.
Η σύγχρονη ταξινόμιση των οργανισμών βασίζεται στις εξελικτικές σχέσεις τους.
-
Είδος (species): σύνολο οργανισμών με δομικές, λειτουργικές και
αναπτυξιακές ομοιότητες. Δεν αναπαραγονται άτομα διαφορετικών ειδών.
Έχουν κοινό εξελικτικό πρόγονο.
Γένος (genus): συγγενικά είδη απαρτίζουν το γένος.
Κάθε είδος χαρακτηρίζεται από 2 ονόματα: γένος και είδος.
Ανώτερες ταξινομικές μονάδες: οικογένεια, τάξη, κλάση, φύλο ή διαίρεση,
βασίλειο.
Οι οργανισμοί του πλανήτη μας ταξινομούνται σε 5 βασίλεια.
-
Τα 5 βασίλεια: προκαρυωτικών οργανισμών, πρωτίστων, μυκήτων, φυτών
ζώων.
Οι ιοί δεν ταξινομούνται σε βασίλεια γιατί δεν έχουν χαρακτηριστικά
κυτταρικής οργάνωσης.
Τα βακτήρια ανήκουν στο βασίλειο των προκαρυωτικών οργανισμών.
Δομούνται από προκαρυωτικό κύτταρο που στερείται πυρήνα και κυτταρικών
οργανιδίων.
Στα υπόλοιπα βασίλεια τα κύτταρα είναι ευκαρυωτικά, που είναι εμπύρηνα
και έχουν οργανίδια στο κυτταρόπλασμα.
Βασίλειο πρωτίστων: υπάγονται οι ευκαρυωτικοί οργανισμοί, πρωτόζωα,
φύκη, φυκομύκητες, μυξομύκητες. 200.000 είναι τα είδη των πρωτίστων.
Βασίλειο μυκήτων: υπάγονται οι ζυγομύκητες, ασκομύκητες, βασιδιομύκητες,
δευτερομύκητες. Οι μύκητες δεν φωτοσυνθέτουν αλλά εκκρίνουν ένζυμα που
αποικοδομούν την περριρέουσα τροφή. 60.000 τα είδη των μυκήτων.
Βασίλειο φυτών: 4 ομάδες φυτών, τα βρυόφυτα, πτεριδόφυτα, γυμνόσπερμα
και αγγειόσπερμα.
Βασίλειο ζώων: διακρίνονται σε ασπόνδυλα και σπονδυλωτά με 1.000.000
είδη.
1.2 Οι ιοί.
Οι ιοί είναι συσσωμάτωμα μακρομορίων ανίκανα για οποιαδήποτε μεταβολική
δραστηριότητα.
-
Οι ιοί αποτελούνται από μονόκλωνο ή δίκλωνο μόριο DNA ή RNΑ που
περιβάλλεται από πρωτεϊνική θήκη που ονομάζεται καψίδιο (capsid) και
αποτελείται από πρώτεϊνικές υπομονάδες.
8
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
Το γονιδίωμα των ιών (γενετικό υλικό) αποτελείται από νουκλεϊκό οξύ από 23 γονίδια έως μερικές εκατοντάδες.
Οι ιοι δεν έχουν αυτοδύναμη αναπαραγωγή, αλλά μόνο αν βρεθούν σε
κύτταρο χρησιμοποιώντας τους μηχανισμούς του.
Η ποικιλότητα και η μολυσματικότητα χαρακτηρίζουν τους ιούς.
-
Ανάλογα με τον οργανισμό που μολύνουν οι ιοί διακρίνονται σε: ιοί
βακτηρίων (φάγοι), ζωικών οργανισμών, φυτικών οργανισμών.
Οι ιοί δραστηριοποιούνται με την είσοδό τους στο κύτταρο-ξενιστή.
-
-
-
Ο ιός κολά στην επιφάνεια του κυττάρου και κατόπιν εισέρχεται στο
εσωτερικό του.
Λυτικός κύκλος (lytic cycle): ο ιός παρεμποδίζει τη μεταβολική
δραστηριότητα του κυττάρου και δίνει εντολή για τη σύνθεση του δικού του
νουκλεϊκού οξέος και πρωτεϊνών από τα διαθέσιμα υλικά και μηχανισμούς του
κυττάρου και μετά αυτοσυγκροτούνται πολλοί ιοί μέσα στο ίδιο το μολυσμένο
κύτταρο που απελευθερώνονται στο περιβάλλον μολύνοντας νέα κύτταρα. Ο
λυτικός κύκλος διαρκεί 20-60 λεπτά, στους 37οC, και από κάθε φάγο
απελευθερώνονται 100-200 φάγοι.
Λυσιγονία (lysogeny): το DNA του ιού ενσωματώνεται στο DNA του
κυττάρου. Το ενσωματωμένο DNA καλείται προϊός (provirus) και στην
περίπτωση των φάγων προφάγος (prophage).
Ο ενσωματωμένος ιός δρα ανάλογα των περιστάσεων:
α) όταν εκτεθεί σε υπεριώδη ακτινοβολία ενεργοποιείται το DNA του φάγου,
που οδηγεί στη σύνθεση πρωτεϊνών του φάγοτ και την ενεργοποίηση του
DNA όπως στον λυτικό κύκλο, με αποτέλεσμα τη συγκρότηση πολλών φάγων
και τη λύση του κυττάρου.
β) Ορισμένα κυτταρα παράγουν ιούς με εκβλάστηση από την κυτταρική
επιφάνεια χωρίς λύση του κυττάρου (πχ ιός του AIDS).
γ) ορισμένα κύτταρα χάνουν τον έλεγχο της αύξησης και διαίρεσής του και
μεταπίπτουν σε καρκινικά.
Οι υποδοχείς στην επιφάνεια των ιών καθορίζουν ποιο τύπο κυττάρου θα
μολύνουν. Η είσοδός τους στο κύτταρο γίνεται με κυτταροφαγία ή κυτταρική
σύντηξη.
Οι ρετροϊοί χρησιμοποιούν το RNA ως μήτρα για σύνθεση RNA που
ενσωματώνεται στο DNA του κυττάρου-ξενιστής ως προϊός. Το DNA
μεταγράφεται σε mRNA που κατευθύνει στη σύνθεση των πρωτεϊνών των
ιών. Μερικοί ρετροϊοί μετασχηματίζουν φυσιολογικό κύτταρο σε καρκινικό.
Τα πριόνια σχετίζονται με ασθένειες του ανθρώπού.
-
Πριόνια (prions): συνίστανται από μια γλυκοπρωτεϊνη με περίπου 250
αμινοξέα. Δεν έχουν DNA/RNA, δρα όμως στη μεταγραφή του mRNA και
παράγει όμοια αντίγραφά του.
Τα ιοειδή σχετίζονται με ασθένειες των φυτών.
9
Τόμος Α
-
-
Κυτταρική βιολογία
Ιοειδή: συνίστανται από κυκλικό RNA 250-600 νουκλεοτιδίων, που
αντιγράφεται με βοήθεια ενζύμων του κυττάρου παρότι δεν κωδικοποιεί
πρωτεΐνη. Τα ιοειδή περνούν στο φυτικό κύτταρο όταν έχουν υποστεί βλάβη
στην επιφάνειά τους.
Σύνοψη: οι ιοί αποτελούνται από DNA/RNA που περιβάλονται από καψίδιο
(πρωτεϊνική θήκη). Αναπαράγονται μέσα σε κύτταρο, που πολλαπλασιάζονται
με τη βοήθεια των βιομορίων και των μηχανισμών του κυττάρου-ξενιστή, που
καταστρέφουν είτε ενσωματόνονται στο DNA και δραστηριποιούνται
ανάλογα με τον τύπο και το κύτταρο-ξενιστή (προιοί).
1.3 Προκαρυωτικό-ευκαρυωτικό κύτταρο
-
Μόνο τα βακτήρια είναι προκαρυωτικά
Στα ευκαρυωτικά το DNA βρίσκεται στον πυρήνα
Στα προκαρυωτικά το DNA δεν βρίσκεται στον πυρήνα, αλλά σε σταθερή
θέση μέσα στο κύτταρο
Μεμβρανικά συστήματα κυττάρου: ενδοπλασματικό δίκτυο (ER), σύμπλεγμα
Golgi, μιτοχόνδρια, χλωροπλάστες, λυοσώματα, υπεροξειδιοσώματα κλπ.
Μη μεμβρανικές δομές κυττάρου: μικροσωληνίσκοι των βλεφαρίδων και των
μαστιγίων, μικροϊνίδια της ακτίνης, ενδιάμεσα ινίδια. Όλα αυτά συμμετέχουν
στην συστολή, κίνηση, σταθερότητα και διαφοροποίηση του κυττάρου.
Βασικές διαφορές προκαρυωτικού-ευκαρυωτικού κυττάρου
-
Τα προκαρυωτικά στερούνται σκελετού.
Τα προκαρυωτικά έχουν ένα χρωμόσωμα που συγκροτείται μόνο από DNA
Τα ευκαρυωτικά περιέχουν πολλά χρωματοσώματα που συγκροτούνται από
DNA και πρωτεΐνες..
Βασικές ομοιότητες προκαρυωτικού και ευκαρυωτικού κυττάρου
-
-
Τα νουκλεϊκά οξέα, πρωτεΐνες, υδατάνθρακες, λιπίδια βρίσκονται σε όλα τα
κύτταρα και στις ίδιες αναλογίες. Τα νουκλεϊκά οξέα διατηρούν και
μεταφέρουν γεννετική πληροφορία.
Οι πρωτεΐνες συνθέτονται με βάση τον γεννετικό κώδικα και με τον ίδιο
μηχανισμό σε όλα τα κύτταρα. Οι πρωτεΐνες επιτελούν τις ακόλουθες
λειτουργείες: α) Δρουν ως ρυθμιστές της δραστηριότητας των γονιδίων, β)
ελέγχουν τον μεταβολισμό, μια και τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες, γ) Αποτελούν
δομικά συστατικά.
Άλλοι πολυσακχαρίτες (όπως άμυλο και γλυκογόνο) αποθηκεύουν ενέργεια,
ενώ άλλοι πολυσακχαρίτες είναι δομικά στοιχεία.
Τα λιπίδια είναι συστατικά των μεμβρανών ή αποθηκεύουν ενέργεια.
Όλα τα κύτταρα χρησιμοποιούν την ίδια βασική μεταβολική οδό για
παραγωγή ενέργειας διαμέσου μετατροπής της γλυκόζης σε CO2.
Προκαρυωτικά και ευκαρυωτικά δομούνται από ίδια βιομόρια αλλά έχουν
διαφορετικές δομές οργάνωσης.
Τα προκαρυωτικά κύτταρα γενιούνται κατά τον τύπο της διχοτόμισης που
είναι είδος μονογονίας. Οι απόγονοι έχουν την ίδια γεννετική σύσταση από
όπου προήλθαν. Η μονογονία δεν συντελεί στην εξέλιξη.
10
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
Τα ευκαρυωτικά αναπαράγονται με αμφιγονία όπου παρατηρείται ανακάτεμα
γεννετικού υλικού μια και το ζυγωτό προέρχεται από σύντηξη δυο
προϋπαρχόντων κυττάρων. Στο ζυγωτό το γεννετικό υλικό είναι ανακατεμένο
και από τα δυο κύτταρα.
Τα βακτήρια διακρίνονται σε αρχαιοβακτήρια και ευβακτήρια
-
-
Κατηγορίες βακτηρίων: αρχαιβακτήρια, ευβακτήρια. Τα αρχαιβακτήρια δεν
περιέχουν πεπτυδογλυκάνη στο κυτταρικό τους τοίχωμα.
Κατηγορίες αρχαιβακτηρίων: αλόφιλα, μεθανιογόνα, θερμοξεόφιλα.
α) αλόφιλα: ζουν σε περιβάλλον αλάτων. Φωτοσυνθέτουν με τη βοήθεια της
βακτηριοδοψίνης.
β) μεθανογόνα: είναι αναερόβια και μετατρέπουν CO2 και Η2 σε μεθάνιο.
γ) θερμοξεόφιλα: σε περιβάλλον όξινο και θερμό.
Ευβακτήρια: κατατάσονται όλα τα κλασικά βακτηρια. Ομαδοποιούνται σε
θετικά κατά Gram και αρνητικά κατά Gram ανάλογα αν συγκρατούν το
κρυσταλικό ιώδες.
Αρνητικά κατά Gram: υπάγονται τα κυανοβακτήρια (σε φύκη και φυτά).
Θετικά κατά Gram: υπάγονται οι σταφυλόκοκκοι και στρεπτόκοκκοι.
Τα ευκαρυωτικά κύτταρα χαρακτηρίζονται από μορφολογική και λειτουργική
εξειδίκευση.
-
Για διεκπεραίωση λήψης τροφής οι μονοκύταροι οργανισμοί έχουν αναπτύξει
οργανίδια όπως βλεφαρίδες και μαστίγια.
Μυϊκό κύτταρο: πολυπύρηνο γεμάτο μιτοχόνδρια που παρέχουν ενέργεια για
συστολή των ιωιδίων, από τα οποία είναι γεμάτο το κυτταρόπλασμα.
Νευρικό κύτταρο: έχει μεγάλες προεκτάσεις του κυτταροπλάσματος,
απαραίτητες για μεταβίβαση νευρικών ερεθισμάτων.
Ηπατικό κύτταρο: τυπικό ευκαρυωτικό, ενεργό μεταβολικά.
Νεφρικό κύτταρο: έχει μεγάλα μιτοχόνδρια στην πλασματική μεμβράνη, που
δίνουν ενέργεια για μεταβίβαση ιόντων διαμέσου της μεμβράνης.
Σπερματοζωάριο : είναι ευκίνητο.
Παρεγχυματικά κύτταρα (φυτά): φωτοσυνθέτουν.
Κολλεγχυματικά και σκληρεγχυματικά: για δομική στήρηξη.
Τα ευκαρυωτικά που είναι διαφοροποιημένα (εξειδικευμένα κύτταρα στον ίδιο
οργανισμό) εξαρτώνται από άλλα κύτταρα του οργανισμού.
Κύτταρα πολυκύτταρων οργανισμών συνθέτουν τους ιστούς, που σχηματίζουν
όργανα, που συνθέτουν τα συστήματα.
Σύνοψη: Τα βακτήρια ανήκουν στα προκαρυωτικά κύτταρα που
διαχωρίζονται σε αρχαιοβακτήρια και ευβακτήρια. Όλοι οι άλλοι οργανισμοί
περιέχουν ευκαρυωτικά κύτταρα. Τα βακτήρια αναπαραγονται μονογονικά με
διχοτόμιση. Οι ευκαρυωτικοί οργανισμοί παράγονται με αμφιγονία (σύντηξη
κυττάρου). Στον άνθρωπο υπάρχουν 200 διαφορετικά είδη κυττάρου και 1014
κύτταρα.
1.4 Η μοριακή οργάνωση των κυττάρων.
Η ζωή στηρίζεται στις ενώσεις του άνθρακα.
11
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
Τα βιομόρια είναι ενώσεις του C, ακόμη συνίστανται από Η, Ο, Ν, φώσφορο.
Αυτά προσφέρουν υδατοδιαλυτότητα και ενεργότητα στα βιομόρια.
Τα βιομόρια χωρίζονται σε: μακρομόρια και μικρομόρια. Μακρομόρια είναι οι
πρωτεΐνες, τα νουκλεΐκά οξέα και οι πολυσκχαρίτες.
Η ιεραρχία της μοριακής οργάνωσης του κυττάρου.
-
-
Ιεραρχία μοριακής οργάνωσης κυττάρου: Κύτταρο> Κυτταρικά οργανίδια>
υπερμοριακά σύμπλοκα> Νουκλεΐκά οξέα, πρωτεΐνες, πολυσακχαρίτες,
λιπίδια> νουκλεοτίδια, αμινοξέα, μονοσακχαρίτες, λιπαρά οξέα, γλυκερίνη>
προΐόντα ενδιάμεσου μεταβολισμού> CO2, H2O, NH3, N2.
Οι δεσμοί που ενώνουν άτομα σε μορια και μόρια σε μακρομόρια είναι
ομοιοπολικοί. Οι δεσμοί που ενώνουν μακρομόρια σε υπερμόρια, σύμπλοκα
και κυτταρικές δομές είναι δεσμοί Η, υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις και
δυνάμεις Van der Waals.
Βασικές αρχές που διέπουν τη σύνθεση μακρομορίων
-
-
-
Σύνθεση μακρομορίων: σχηματίζονται με πολυμερισμό μονομερών
(συνάθροιση σε αλυσίδα). Διακρίνονται σε:
α) μονομερή των πρωτεΐνών, είναι τα αμινοξέα,
β) μονομερή των νουκλεΐκών οξέων είναι τα νουκλεΐδια
γ) μονομερή των υδατανθράκων είναι οι μονοσακχαρίτες.
Βασικές αρχές σύνθεσης πολυμερών από μονομερή:
α) Βιοπολυμερή, από πολυμερισμό όμοιων-παρόμοιων μικρών μορίων (των
μονομερών
β) Προσθήκη μονομερούς στο πολυμερές με απελευθέρωση μορίου Η2Ο
(αντίδραση συμπίκνωσης)
γ) Ενεργοποίηση μονομερούς που γίνεται με σύζευξη μονομερούς με ομάδες.
δ) Η ενέργεια σύζευξης χορηγείται από ΑΤΡ
ε) Η σύνθεση βιοπολυμερών τους προσδίδει πολικότητα.
Δυνατός συνδιασμός για ν υπομονάδες πρωτεϊνών είναι 20ν, για δε τα
νουκλεϊκά οξέα 4ν. Υπάρχουν 20 διαφορετικά αμινοξέα στις πρωτεΐνες και 4
διαφορετικά νουκλεοτίδια στα νουκλεϊκά οξέα. Η ποικιλότητα των
συνδιασμών που δομούν τα μακρομόρια είναι η αιτία στη διαφορετική δομή
των κυττάρων.
Η αναγκαιότητα της ενέργειας και της πληροφορίας για το κύτταρο.
-
Για να δημιουργηθεί μια δομή απαιτείται οργάνωση (τάξη) που είναι
αποτέλεσμα της προσφερόμενης ενέργειας και πληροφορίας. Η οργάνωση
διατηρείται, δημιουργείται, επεκετείνεται αν υπάρχει επαρκής πληροφορία και
ενέργεια. Η πληροφορία είναι αποθηκευμένη στο DNA. Η ενέργεια ενυπάρχει
στους χημικούς δεσμούς των μορίων της τροφής.
Ροή ενέργειας και ύλης στη βιόσφαιρα.
-
Υπάρχουν 5 κατηγορίες βιολογικού έργου ή αλλαγών:
α) συνθετικό έργο (πχ φωτοσύνθεση)
β) μηχανικό έργο (πχ μυϊκή συστολή)
12
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
γ) έργο συγκέντρωσης ουσιών (πχ αλλαγή συγκέντρωσης ουσιών διαμέσου
μεμβρανών)
δ) ηλεκτρικό έργο (πχ διαμετακίνηση Να+, Κ+ μέσω μεμβρανων)
ε) παραγωγή φωτός σε ορισμένους οργανισμούς.
Φωτοσύνθεση : μετατρέπει την ηλιακή ενέργεια σε ενέργεια δεσμών.
Μετατρέπει τα CO2, H2O σε πολυπλοκότερα μόρια, μέσω ηλιακής ενέργειας.
Μέρος της χημικής ενέργειας χάνεται ως θερμότητα, αύξηση της εντροπίας
κλπ.
Η ροή της πληροφορίας.
-
-
Ροή πληροφορίας DNA από γονικό σε θυγατρικό κύτταρο: αντιγραφή
(σύνθεση DNA  παραγωγλη αντιγράφου  κυτταρική διαίρεση (μίτωση).
Αντιγραφή του DNA γίνεται μέσω δύο διακριτών διαδικασιών:
α) της Μεταγραφής (transcription) της πληροφορίας σε RNA (σύνθεση RNA).
β) της Μετάφρασης (translation) σε πρωτεΐνες (σύνθεση πρωτεϊνών). Το RNA
που μεταφράζει την γεννετική πληροφορία σε πρωτεΐνες λέγεται RNAμήνυμα (mRNA).
Είδη RNA:
α) mRNA: μεταφράζει την γεννετική πληροφορία σε πρωτεΐνες.
β) rRNA: ριβοσωματικό RNA πού είναι συστατικό των ριβοσωμάτων.
γ) tRNA: μεταφορικό RNA που αποκωδικοποιεί-μεταφράζει την αλληλουχία
βάσεων του mRNA σε αλληλουχία αμινοξέων και πρωτεϊνών.
Η συγκρότηση των κυτταρικών δομών και οργανιδίων.
-
-
Αρχή Αυτοσυγκρότησης (self assembly): Η απαιτούμενη πληροφορία για την
εξειδικευμένη διαμόρφωση των μακρομορίων και την αλληλεπίδρασή τους
για σχηματισμό πολυπλοκότερων δομών είναι εγγενής ιδιότητα των ίδιων των
μακρομορίων. Δηλαδή αν σχηματιστεί το μακρομόριο στο κύτταρο, οι
επόμενες διεργασίες για τον σχηματισμό ανώτερων δομών γίνονται αυτόματα,
χωρίς προσθήκη ενέργειας ή πληροφορίας.
Επαναδιάταξη και αποδιάταξη: οι πρωτεΐνες είναι ενεργές στην κατάσταση
της επεναδιάταξης. Αποδιάταξη είναι η καταστροφή της δομής της πρωτεΐνης.
Στις αρχές της αυτοσυγκρότησης βασίζεται ο σχηματισμός των κυτταρικών
δομών και οργανιδίων.
-
Χρωματόσωμα: το DNA είναι σύμπλοκο από πρωτεΐνες. Χρωματοσωματικές
πρωτεΐνες είναι οι ιστόνες, η RNA-πολυμεράση, ρυθμιστικές πρωτεΐνες, κ.α.
Ριβοσώματα: αποτελούνται από πρωτεΐνες που δεσμεύονται με ασθενείς
δεσμούς και αποτελούν ενιαίο σύνολο (δηλ. το ριβόσωμα). Τα ριβοσώματα
είναι υπεύθυνα για τη σύνθεση των πρωτεϊνών.
TMV: αποτελείται από 34 πρωτεΐνες.
Σύνοψη: Τα βιομόρια είναι ενώσεις του C. Διακρίνονται σε μικρομόρια και
μακρομόρια. Τα μακρομόρια σχηματίζονται με πολυμερισμό των μονομερών
τους. Τα μακρομόρια συνδέονται μεταξύ τους και σχηματίζουν σύμπλοκα και
δομές του κυττάρου. Για την οργάνωση αυτή απαιτείται ενέργεια και
πληροφορία. Η ενέργεια λαμβάνεται από τον ήλιο και η πληροφορία είναι
αποθηκευμένη στα μακρομόρια.
13
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
Σύνοψη κεφαλαίου: Διακρίνονται 5 βασίλεια οργανισμών΅προκαρυωτικών,
πρωτίστων, μυκήτων, φυτών και ζωων. Οι ιοί δεν εμπίπτουν στη διάκριση
αυτή διότι δεν έχουν κυτταρική οργάνωση. Προκαρυωτικά κύτταρα είναι μόνο
τα βακτήρια. Όλοι οι άλλοι οργανισμοί δομούνται με ευκαρυωτικά κύτταρα
(με πυρήνα). Οι διαφορές των ανθρώπινων κυττάρων οφείλονται στη
διαφοροποίηση. Για τη δημιουργεία κυττάρων και των δομών του απαιτείται
ενέργεια και πληροφορία. Η ενέργεια ενυπάρχει στους χημικούς δεσμούς και
η πληροφορία στο γεννετικό υλικό.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2
-
Τα κύτταρα περιβάλλονται από την πλασματική (κυτταρική) μεμβράνη.
Μεμβρανικά συστηματα: σύμπλεγμα Golgi, ενδοπλασματικό δίκτυο (ER),
μιτοχόνδρια , χλωροπλάστες, λυοσώματα, πυρήνες, κ.α. Η υψιλή τάξη
οργάνωσης του κυτταρου οφείλεται στο δίκτυο των μεμβρανών.
2.1 Οι λειτουργείες των μεμβρανών.
-
Διαμερισματοποίηση: Η πλασματική μεμβράνη οριοθετεί το κύτταρο από το
περιβάλλον του. Οι ενδοκυτταρικές μεμβράνες διαμερισματοποιούν το
κυτταρόπλασμα.
Το μιτοχόνδριο φιλοξενεί τα ένζυμα.
Το ενδοπλασματικό δίκτυο συμμετέχει στη σύνθεση ορισμένων πρωτεϊνών.
Ο πυρήνας φιλοξενεί χρωματοσώματα.
Οι μεμβράνες ελέγχουν τη διαμετακίνηση βιομορίων από το περιβάλλον στο
κύτταρο και αντίστροφα. Ομοίως και στα κυτταρικά οργανίδια.
Η πλασματική μεμβράνη έχει ρόλο στη μεταγωγή εξωτερικού μηνύματος
(signal transduction). Οι μεμβράνες έχουν υποδοχείς (receptors) που είναι
διαμεμβρανικές πρωτεΐνες.
Μηνυματοφόρα μόρια είναι οι ορμόνες, οι παραγοντες αύξησης, κ.α.
Διακυτταρική επικοινωνία γίνεται μέσω της κυτταρικής μεμβράνης. Συμβάλει
στην αναγνώριση άλλων κυττάρων, στην προσκόλησή τους και ανταλλαγή
πληροφοριών και υλικών.
2.2 Η μοριακή σύσταση των μεμβρανών.
Η διπλοστιβάδα των λιπιδίων είναι το δομικό πλάισιο όλων των μεμβρανών.
-
Σύσταση μεμβράνων κυττάρων: αποτελούνται από πρωτεΐνες (60%) και
λιπίδια (40%). Οι μεμβράνες αποτελούνται από διπλοστιβάδα λιπιδίων.
Σύμφωνα με το μοντέλο του ρευστού μωσαϊκού (fluid mosaic model), το
δομικό πλάισιο είναι το δίστιβο λιπιδικό στρώμα με τις πρωτεΐνες να
εισχωρούν σε κάποιο βάθος ή και να διαπερνούν το δίστιβο στρώμα.
Σημαντικό στοιχείο είναι η κατάσταση ρευστότητας των λιπιδίων.
Τα λιπίδια των μεμβρανών.
14
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
Λιπίδια των μεμβρανών: φωσφορολιπίδια, χοληστερίνη, γλυκολιπίδια, με τα
φωσφορολιπίδια να αποτελούν την κύρια ομάδα.
Χοληστερίνη: βρίσκεται στο ενδοπλασματικό δίκτυο, στις μεμβράνες
μιτοχονδρίων και στην πλασματική μεμβράνη των ζωϊκών κυτταρων.
Καρδιολιπίνη: βρίσκεται στις εσωτερικές μεμβράνες των μιτοχονδρίων.
Πρωτεΐνες μεμβρανών, διακρίνονται σε 3 κατηγορίες:
α) Ενσωματωμένες πρωτεΐνες (integral): προεξέχουν και από τις δυό πλευρές
της διπλοστιβάδας
β) Περιφερειακές πρωτεΐνες (peripheral): έξω από το δίστιβο στρώμα λιπιδίων
γ) Πρωτεΐνες συνδεδεμένες με λιπίδια (liquid-anchored proteins): είναι έξω
από το δίστιβο και ενωμένες με λιπίδια.
Οι υδατάνθρακες των μεμβρανών.
-
Σάκχαρα γλυκοπρωτεϊνών-γλυκολιπιδίων: γαλακτόζη, μαννόζη, φουκόζη,
γαλακτοζαμίνη, γλυκόζη, σιαλικό οξύ.
Οι υδατάνθρακες των γλυκολιπιδίων της πλασματικής μεμβράνης των
ερυθροκυττάρων του ανθρώπου καθορίζουν σε ποιά ομάδα αίματος ανήκει
ένα άτομο.
Σύνοψη: Οι μεμβράνες των κυττάρων αποτελούνται από πρωτεΐνες, λιπίδια,
γλυκοπρωτεΐνες και γλυκολιπίδια, διευθετημένα σύμφωνα με το μοντέλο του
ρευστού μωσαϊκού.
2.3 Μοριακή οργάνωση των μεμβρανών.
Λιπίδια και ρευστότητα.
-
-
-
Η φυσική κατάσταση της κυτταρικής μεμβράνης αλλάζει με τη θερμοκρασία.
α) όταν ψύχεται μεταπίπτει σε κατάσταση πηκτώματος, όπου περιορίζει την
κίνηση των φωσφορολιπιδίων
β) όταν θερμαίνεται μεταπίπτει σε αποδιοργανωμένη κατάσταση κρυστάλλου
όπου παρατηρείται αυξημένη κινητικότητα λιπιδίων (ρευστότητα μεμβράνης).
Αύξηση θερμοκρασίας επιφέρει: αύξηση επιφάνειας, κινητικότητας,
διαλυτότητας των μορίων. Η μεμβράνη πρέπει να είναι πάντα σε κατάσταση
ρευστότητας.
Θερμοκρασία Μετάπτωσης επηρεάζεται από:
α) Μήκος αλυσίδας λιπαρών οξέων
β) Βαθμός κορεσμού λιπαρών οξέων
γ) Περιεκτικότητα σε χοληστερίνη. Αν η χοληστερίνη είναι αυξημένη, οι
μεμβράνες των αιμοφόρων αγγείων χάνουν τη ρευστότητά τους
(αρτηριοσκλήρωση).
Κινητικοί τρόποι λιπιδίων διπλοστιβάδας:
α) Περιστροφική κίνηση λιπιδίων γύρω από τον άξονά τους και καθέτως προς
την επιφάνεια της μεμβράνης.
β) Διάχυση στο επίπεδο της μεμβράνης
γ) Εναλλαγή πλευράς στην διπλοστιβάδα, το πάνω-κάτω (flipping).
Η κινητικότητα των πρωτεϊνών είναι επακόλουθο της ρευστότητας.
15
Τόμος Α
-
-
-
Κυτταρική βιολογία
Για να διατηρήσουν μια σταθερή ρευστότητα των μεμβρανών τους, οι
ποικιλόθερμοι οργανισμοί, αντικαθιστούν λιπίδια ώστε ανάλογα με τη
θερμοκρασία του περιβάλλοντος να υπάρχουν λιπίδια με κατάλληλο μήκος
και βαθμό κορεσμού της υδρογονοανθρακικής αλυσίδας.
Η κινητικότητα των πρωτεϊνών είναι επακόλουθο της ρευστότητας των
λιπιδίων. Οι ενσωματωμένες πρωτεΐνες επιπλέουν σε μια θάλασσα λιπιδίων. Η
ρευστότητα των λιπιδίων επιτρέπει στις πρωτεΐνες να περιστρέφονται ή να
διαχέονται.
Όταν η μεμβράνη βρίσκεται πάνω από την θερμοκρασία μετάπτωσης, ο
ρυθμός περιστροφής των πρωτεϊνών είναι αυξημένος. Αντίθετα, αν βρίσκεται
κάτω από τη θερμοκρασία μετάπτωσης.
Στενοσύνδεσμοι: ενώνουν επιθυλιακά κύτταρα. Αποτελούν φραγμό στη
διάχυση των μεμβρανικών πρωτεΙνών.
Η ασυμμετρία των μεμβρανών.
-
Λιπίδια και πρωτεΐνες δεν είναι συμμετρικά τοποθετημένα.
Φωσφατιδυλοσερίνη και Σφιγγομυελίνη βρίσκονται από την εξωτερική
πλευρά της μεμβράνης (διπλοστιβάδας).
Φωσφατιδυλοσερίνη,
Φωσφατιδυλοαιθανολαμίνη,
Φωσφατιδυλοσιτόλη
βρίσκονται από την πλευρά του κυτταροπλάσματος.
Ασυμμετρία λόγω κατανομής λιπιδίων: α) ασυμμετρία υδρογονοανθρακικών
ουρών, β) ασυμμετρία φορτίου.
Η μεμβράνη έχει πάντοτε πολικότητα λόγω ασυμμετρίας του διμοριακού
στρώματος. Η κυτταροπλασματική πλευρά της μεμβράνης είναι αρνητικά
φορτισμένη.
Ασύμμετρία πρωτεϊνών: οι περιφερειακές πρωτεΐνες δεσμεύονται στην
επιφάνεια της μεμβράνης, ενώ οι ενσωματωμένες κατανέμονται ασύμμετρα.
Άνιση κατανομή υδατανθράκων λόγω ασσυμετρίας μεμβράνης. Υδατάνθρακες
φέρουν μόνο οι πρωτεΐνες και τα λιπίδια που βρίσκονται στην εξωτερική
πλευρά της μεμβράνης.
Τα όμοια κύτταρα συσσωματώνονται (ενώνονται) μεταξύ τους, λογω
αναγνώρισης και απόκρισης του κυττάρου, σε κύτταρα του ίδιου ιστού.
Σύνοψη: Ανάλογα με την θερμοκρασία του περιβάλλοντος τα λιπίδια των
μεμβρανών έχουν κάποια κινητικότητα, που εκφράζεται ως ρευστότητα της
μεμβράνης. Η χοληστερίνη είναι ρυθμιστικός παράγοντας της ρευστότητας.
Επακόλουθο της ρευστότητας των λιπιδίων είναι η κινητικότητα των
πρωτεϊνών των μεμβρανών. Οι υδατάνθρακες βρίσκονται μόνο στην
εξωτερική πλευρά της μεμβράνης. Συμμετέχουν στην λειτουργεία της
αναγνώρισης.
2.4 Η διαπερατότητα της μεμβράνης στα μικρομόρια.
-
Οι μεμβράνες ελέγχουν τη διαπερατότητα των βιομορίων και καθορίζουν τις
ενώσεις που θα χρησιμοποιηθούν από το κύταρο. Η επιλεκτική διαπερατότητα
οφείλεται στην ύπαρξη ειδικευμένων συστημάτων διαμετακίνησης.
Η εξωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων δεν έχει σχεδόν καμιά
εκλεκτικότητα, αλλά η εσωτερική έχει.
Η πλασματική μεμβράνη των βακτηριδίων επιτρέπει διαμετακίνηση Ca+, K+.
16
Τόμος Α
Κυτταρική βιολογία
Η ηλεκτρομηχανική βαθμίδωση είναι η κινητήρια δύναμη διαμετακίνησης των
ουσιών διαμέσου των μεμβρανών.
-
Ηλεκτροχημική βαθμίδωση: είναι η συνισταμένη δύναμη που προέρχεται από
το δυναμικό των μεμβρανών (λόγω των ηλεκτρικών ιόντων εκατέρωθεν της
μεμβράνης) και τη βαθμίδωση της συγκέντρωσης.
Στη μετακίνηση των μορίων διαμέσου της μεμβράνης συμμετέχουν ειδικές
πρωτεΐνες.
-
-
-
-
-
-
-
Τα μικρομόρια διαμετακινούνται διαμέσου των μεμβρανών με τη βοήθεια
πρωτεϊνών (υδατοπορινών) και όχι με απλή διαχυση. Οι πρωτεϊνες
διαμετακινούν: λιπαρά οξέα (βουτυρικό οξύ), λιπίδια (προσταγλαδίνες),
φωσφορολιπίδια, χοληστερίνη, πολικά μόρια (ιόντα, σάκχαρα, ανινοξέα,
νουκλεοτίδια, μεταβολίτες).
Υποβοηθούμενη διάχυση: μετακίνηση μικρομορίων διαμέσου της μεμβράνης
με τη βοήθεια πρωτεϊνών και με κατευθυντήρια δύναμη τη βαθμίδωση
συγκέντρωσης (για αφόρτιστα) ή την ηλεκτροχημική βαθμίδωση (για για
φορτισμένα).
Στην υποβοηθούμενη διάχυση συμμετέχουν δυο είδη πρωτεϊνών:
α) πρωτεΐνες-μεταφορείς που διαμετακινούν βιομόρια με αλλαγή της
διαμόρφωσής τους
β) πρωτεΐνες-δίαυλοι που δημιουργούν άνοιγμα διαμέσου της μεμβράνης.
Ενεργός μεταφορά: η διαμετακίνηση γίνεται αντίθετα προς την
ηλεκτροχημική βαθμίδωση με εξώθερμη διαδικασία που προσφέρει ενέργεια
(υδρόλυση ΑΤΡ, απορρόφηση φωτός, μεταφορά ηλεκτρονίων). Η ενεργός
μεταφορά είναι χαρακτηριστικό της πλασματικής μεμβράνης των
μιτοχονδρίων, των χλωροπλαστών και του ER. Παρατηρείται σε ιστούς όπως
ο νευρικός, μυϊκός και νεφροί.
Η ενεργός διαμετακίνηση εξυπηρετεί 3 θεμελιώδεις λειτουργείες των
κυττάρων:
α) πρόσληψη ουσιών περιβάλλοντος με συγκέντρωση μικρότερη από αυτή
του εσωτερικού του κυττάρου.
β) έκριση ουσιών στο περιβάλλον ακόμη και όταν η συγκέντρωση στο
περιβάλλον είναι μεγαλύτερη από την εσωτερική.
γ) το κύτταρο διατηρεί σταθερή βέλτιστη εσωτερική συγκέντρωση ανόργανων
ηλεκτρολυτών (Na+, Ca+, H+).
Αντλία νατρίου-καλίου (μόνο στα ζωικά κύτταρα): είναι ένα ένζυμο που
υδρολύει το ΑΤΡ. Είναι τετραμερές αποτελούμενο απο δυο υπομονάδες. Η α
είναι υπεύθυνη για τη μεταφορά και η β για τη συγκρότηση και δέσμευση του
ενζύμου στη μεμβράνη. Κατά τη μεταφορά η ΑΤΡάση φωσφοριολυώνεται και
αλλάζει η διαμόρφωσή της και μετά τη τη διαμετακίνηση το ένζυμο
αποφωσφοριολυώνεται και επανέρχεται στην αρχική διαμόρφωση.
Αντλία ασβεστίου: διαμετακομεί Ca+ στον εξωκυτταρικό χώρο ή στο δίαυλο
του ER. Φωσφορυλιώνεται-αποφωσφορυλιώνεται.
Αντλία υδρογόνου: απαντά στις μεμβράνες λυοσωμάτων, εκκριτικών κοκκίων
και χυμοτοπίων (φυτά). Διαμετακινεί υδρογόνο χαρησιμοποιώντας την
ενέργεια του ΑΤΡ.
ΑΒC-μεταφορείς: οικογένεια πρωτεϊνών που δεσμέυει ΑΤΡ.
17
Τόμος Α
-
-
Κυτταρική βιολογία
Βακτηριοδοψίνη: απαντά στο βακτήριο Halobacterium. Όταν αναπτύσεται
φως η βακτηριοδοψίνη απορροφά πρωτόνια από την εσωτερική πλευρά της
μεμβράνης και τα απελευθερώνει στην εξωτερική πλευρά, δημιουργώντας μια
βαθμίδωση.
Σύζευξη με προϋπάρχουσα βαθμίδωση ιόντων: εκμετάλευση της βαθμίδωσης
Na+ που δημιουργείται από την αντλία νατρίου-καλίου για διαμετακόμιση
γλυκόζης.
Διαπερατότητα μεμβρανών και κυστική ίνωση.
-
-
-
Η κυστική ίνωση (cystic fibrosis) είναι μια ασθένεια του ανθρώπου που
οφείλεται σε ελλατωματική κυτταρική έκριση. Οφείλεται σε μεταλλαγμένη
πρωτεΐνη
(ΑΒC-μεταφορέας)
της
πλασματικής
μεμβράνης
που
χρησιμοποιείται ως μεταφορέας. Επηρεάζει πνέυμονες, παγκρεας και
ιδρωτοποιούς αδένες.
Σύνοψη: οι μεμβράνες ελέγχουν την διαπερατότητα βιομορίων στο κύτταρο.
Πολικά ή μη πολικά βιομόρια διαμετακινούνται με τη βοήθεια πρωτεϊνών και
απαιτείται κατανάλωση ενέργειας (ενεργός μεταφορά) και άλλοτε όχι
(υποβοηθούμενη διάχυση).
Σύνοψη κεφαλαίου: Οι μεμβράνες των κυττάρων οριοθρτούν τον χώρο,
ρυθμίζουν τη ροή ύλης και πληροφορίας και μεσολαβούν στην αναγνώριση
και αλληλεπίδραση των κυττάρων. Οι μεμβράνες αποτελούνται από
πρωτεΐνες, λιπίδια, γλυκολυπίδια και γλυκοπρωτεΐνες με διευθέτηση σύμφωνα
με το μοντέλο του ρευστού μωσαϊκού που συνίσταται από διμοριακό στρώμα
λιπιδίων όπου βυθίζονται ή το διαπερνούν πρωτεΐνες. Ανάλογα με τη
θερμοκρασία η μεμβράνη εμφανίζει ρευστότητα που οφείλεται στην
κινητικότα των λιπιδίων (η χολιστερίνη είναι καθοριστικός παράγοντας).
Επακόλουθο είναι η κινητικότητα των πρωτεΐνών των μεμβρανών.
Λειτουργείες μεμβράνης: έλεγχος διαμετακίνησης, μεταβίβαση μηνυμάτων,
αναγνώριση, προσκόληση, επικοινωνία κυττάρων. Οι πρωτεΐνες-φορείς
διαμετακοινούν βιομόρια είτε με κατανάλωση ενέργειας (ενεργός μεταφορά)
είτε όχι (υποβοηθούμενη διάχυση).
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3
3.1 Διαφοροποιήσεις της κυτταρικής μεμβράνης.
-
-
Τα κύτταρα των πολυκύτταρων οργανισμών συνδέονται με διαφοροποιήσεις
της πλασματικής μεμβράνης.
Επιθυλιακός ιστός :Τα επιθηλιακά κύτταρα συνδέονται ισχυρά σχηματίζοντας
τον επιθυλιακό ιστό (επιθήλιο), που καλύπτει την επιφάνεια του σώματος και
επενδύει τις κοιλότητες (δέρμα, πεπτικό, αναπνευστικό, αναπαραγωγικό
σύστημα). Χρησιμοποιείται για προστασία, απορρόφηση, έκκριση, αίσθηση.
Μικρολάχνες: είναι προεξοχές της πλασματικής μεμβράνης των επιθυλιακών
κυττάρων. Εσωτερικά περιέχουν δέσμη μικροϊνιδίων (ακτίνη) που
παραμένουν στη θέση τους με πρωτεΐνες (φιμπρίνη, βιλίνη).
18
Τόμος Α
-
-
Κυτταρική βιολογία
Τα ινίδια στις μικρολάχνες σχετίζονται με τη συστολή τους, ενω το πλέγμα
των ινιδίων στη βάση των μικρολαχνών (τελικό πλέγμα) προσδίδει ακαμψία
στο σύστημα.
Βασικό έλασμα: αποτελείται από δίκτυο ινιδίων από κολαγόνο τύπου IV,
θειική ηπαρανη, λαμινίνη και εντακτίνη.
Λειτουργίες βασικού ελάσματος: διαμερισματοποίηση αναπτυσσόμενων
οργάνων, παρεμπόδιση μετανάστευσης καρκινικών κυττάρων, λειτουργία ως
ηθμού (οφείλεται ο αποκλεισμός του ορού από νεφρικά σωληνάρια και η
παραμονή τους στα τριχοειδή).
Σύνδεσμοι: συνδέουν επιθυλιακά κύτταρα. Διακρίνονται σε : δεσμοσώματα,
ημιδεσμοσώματα,
σύνδεσμοι
πρόσδεσης,
στενοσύνδεσμοι,
χασματοσύνδεσμοι, φραγματοσύνδεσμοι.
Εστίες προσκόλλησης και ημιδεσμοσώματα: αγκυριβόλια των κυττάρων σε
υπόστρωμα.
-
-
Εστία προσκόλησης: συγκεκριμένα σημεία που προσκολλάται το κύτταρο σε
μια επιφάνεια. Δημιουργεί προεκβολές για να επεκταθεί. Υπάρχουν ομάδες
ιντεγκρινών που διασυνδέουν την εξωκυτταρική υλη με τα μικριϊνίδια του
κυτταροσκελετού.
Ημιδεσμοσώματα:Συνδέουν κύτταρα με μη κυτταρικές επιφάνειες. Είναι
δομές προσκόλησης που δημιουργούνται από πχ προσκόληση επιθηλιακών
κυττάρων και υποκείμενου βασικου ελάσματος.
Ιντεγκρίνες: είναι κύριο στοιχείο των ημιδεσμοσωμάτων. Από την πλευρά του
κυτταροπλάσματος συνδέονται με ινίδια κερατίνης ενώ από την πλευρά του
βασικού ελάσματος με λαμινίνη.
Τα δεσμοσώματα και οι σύνδεσμοι πρόσδεσης χρησιμεύουν για τη μηχανική
στηριξη παρακείμενων κυττάρων.
-
-
Δεσμοσώματα: Συνδέουν κύτταρα. Είναι μια διμερής δομή που σχηματίζεται
από τις παράλληλες πλασματικές μεμβράνες δυο παρακείμενων κυττάρων. Η
σύνδεση των κυττάρων γίνεται με δεσμογλεΐνες και δεσμοκολίνες που
διασυνδέουν την εξωκυτταρική ύλη με τα ενδιάμεσα ινίδια του
κυτταροπλάσματος. Τα δεσμοσώματα κρατούν τα κύτταρα κολημένα και
ακίνητα.
Σύνδεσμοι πρόσδεσης (adherens junctions): συνδέουν διακυτταρικά τις
δέσμες των ινιδίων της ακτίνης, προσδίδουν ευκαμψία στα επιθηλιακά
κύτταρα μετατρέποντας μια επίπεδη στρώση κυττάρων σε κυστίδιο ή σωλήνα.
Οι στενοσύνδεσμοι διασυνδέουν ερμητικά τα παρακείμενα κύτταρα.
-
Στενοσύνδεσμοι: φέρουν σε πλήρη επαφή ή και σύντηξη τις μεμβράνες
κυττάρων με την πρωτεΐνη οκλουδίνη (occluding) να αποτελεί το σύνδεσμο.
Διαβατότητα στενοσυνδέσμων: στα ενδοθηλιακά κύτταρα οι στενοσύνδεσμοι
σχηματίζουν τον αιματοεγκεφαλικό φραγμό που δεν επιτρέπει διαμετακίνηση
ιόντων ή μικρομορίων από το αίμα στουε ιστούς του εγκεφάλου, αλλά
επιτρέπουν διέλευση ανοσοποιητικών κυττάρων.
19
Τόμος Α
Κυτταρική βιολογία
Χασματοσύνδεσμοι και πλασματοσύνδεσμοι: διακυτταρικοί σύνδεσμοι που
επιτρέπουν την επικοινωνία.
-
-
-
-
-
Χασματοσύνδεσμος ή κονεξόνιο: είναι σύστημα διαύλων πρωτεΐνικής φύσης.
Ένας δίαυλος αποτελείται από 6 κονεξίνες που ανάλογα με τη διαμόρφωση
ανοιγουν ή κλείνουν το δίαυλο. Διαμέσου χασματοσυνδέσμων
διαμετακινούνται ιόντα, αμινοξέα, σάκχαρα, νουκλεοτίδια και όλα τα
μικρομόρια μέχρι Mr 1000.
Πλασματοσυνδέσμοι: διασυνδέουν κύτταρα φυτών και επιτρέπουν την
επικοινωνία τους. Έχουν αντίστοιχη λειτουγία μα τους χασμοσυνδέσμους των
ζωικών κυττάρων. Μεταφέρουν ορμόνες κτλ λόγω έλειψης τριχοειδών
αγγείων στα φυτά. Μεσω αυτών, εξαπλωνονται οι ιοί στα φυτικά κύτταρα.
Δεσμοσωλήνες (φυτά): σωληνοειδής δομή που είναι συνεχόμενη με το ER
των δυο κυττάρων. Διατρέχει το κέντρο του διαύλου του
πλασματοσυνδέσμου.
Σύνοψη: Οι μικρολάχνες αυξάνουν την κυτταρική επιφάνεια. Τα
ημιδεσμοσώματα και οι εστίες προσκόλλησης συμβάλλουν στην προσκόληση
του κυττάρου με το υπόστρωμα. Τα δεσμοσώματα συγκρατούν στερεά τα
κύτταρα μεταξύ τους. Οι στενοσύνδεσμοι παρεμποδίζουν κάθε μετακίνηση
μορίων κατά μήκος της πλασματικής μεμβράνης. Οι χασματοσύνδεσμοι και
πλασματοσύνδεσμοι συμβάλλουν στην επικοινωνία παρακείμενων κυττάρων.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. οι χασματοσύνδεσμοι είναι σύνδεσμοι ζωικών κυττάρων που επιτρέπουν
την επικοινωνία τους και οι πλασματοσύνδεσμοι είναι των φυτικών
κυττάρων.
2. ο δεσμοσωλήνας είναι στοιχείο των πλασματοσυνδέσμων.
3. τα δεσμοσώματα διασυνδέουν κύτταρα και τα ημιδεσμοσώματα συνδέουν
κύτταρα με μη κυτταρικές επιφάνειες.
4. Δεσμοσώματα  διαδύνδεση κυττάρων,
Ημιδεσμοσώματα  σύνδεση με μη κυτταρική επιφάνεια,
Χασματοσύνδεσμοι  επικοινωνία κυττάρων,
Πλασματοσύνδεσμοι  επικοινωνία κυττάρων,
Στενοσύνδεσμοι  διασύνδεση κυττάρων.
5. Οι μικρολάχνες είναι μόνιμοι σχηματισμοί του κυττάρου.
Ασκήσεις ανασκόπησης:
1. Διαφορές εστιακής προσκόλησης και ημιδεσμοσωματος: τα πρώτα
απαντώνται σε in vitro κυτταρικές καλιέργειες και τα δεύτερα σε in vivo
μεταξύ κυττάρων και ακυτταρικής επιφάνειας.
Διαφορές ημιδεσμοσώματος και δεσμοσώματος: τα δεύτερα είναι
σύνδεσμοι in vivo μεταξύ κυττάρων.
2. Ινίδια ακτίνης περιέχουν οι σύνδεσμοι πρόσδεσης. Καντερίνες περιέχουν
τα δεσμοσώματα. Ιντεγκρίνες περιέχουν οι εστίες προσκόλησης.
3. Στους στενοσυνδέσμους συμμετέχει μια διαμεμβρανική πρωτεΐνη, ενώ
στους χασματοσυνδέσμους συμμετέχει σύστημα πρωτεϊνών, απου
ανάλογα με τη διαμόρφωσή τους αφήνουν ανοιχτό ή κλειστό έναν δίαυλο.
3.2 Εξωκυτταρική ύλη.
-
Εξωκυτταρική ύλη (extracellular matrix, ECM): είναι εκκρινόμενα βιομόρια
από κύτταρα που παραμένουν στη γειτονιά και επηρεάζουν το κύτταρο.
20
Τόμος Α
-
-
Κυτταρική βιολογία
Συμβάλει στην επιβίωση των κυτταρικών ιστών μαζί με τον γλυκοκάλυκα,
υδατανθρακική στιβάδα των γλυκοπρωτεϊνών και των γλυκολιπιδίων της
κυτταρικής επιφάνειας.
Κυτταρικό τοίχωμα (φυτά): αποκαλείται η εξωκυτταρική ύλη στα φυτά,
μύκητες, φύκη, προκαρυωτικά κύταρα.
Η εξωκυτταρική ύλη ζωντανών οργανισμών διακρίνεται σε:
α) ινώδεις πρωτεΐνες που υποδιαιρούνται σε δομικές (πχ κολαγόνο, ελαστίνη,
φιμπριλίνη) και σε κολλοειδείς (πχ φιμπρονεκτίνη, λαμινίτη).
β) γλυκοζαμινογλυκάνες (υδατάνθρακες) που είναι συνήθως ενωμένες με
πρωτεΐνες σχηματίζοντας τις πρωτενογλυκάνες. Οι γλυκοζαμινογλυκάνες και
πρωτενογλυκάνες σχηματίζουν ένα ενυδατωμένο πύκτωμα στο οποίο είναι
βυθισμένες οι ινώδεις πρωτεΐνες.
ECM: δυναμικός σχηματισμός του κυττάρου που συμμετέχει στην
προσρόφηση, μεταφορά υλικών, ρύθμιση ηλεκτρικών φορτίων,
ανοσοβιολογική συμπεριφορά, δέσμευση μηνυματοφόρων μορίων και
μεταβίβαση πληροφορίας. Προσδίδει ελαστικότητα στα τοιχώματα των
αρτηριών, προφύλαξη από έντομα με το χιτινόδες περίβλημα, στερεότητα και
σκληρότητα στα οστά και δόντια κτλ.
Ινώδεις πρωτεΐνες της ECM.
-
-
-
Κολλαγόνα: είναι μια οικογένεια ινωδών γλυκοπρωτεϊνών. Παράγονται στους
ινοβλάστες και οστεοβλάστες και εκκρίνουν ECM. Το εκρινόμενο κολλαγόνο
(προκολλαγόνο) σχηματίζει πολυπεπτιδικές αλυσίδες που περιτυλίγονται και
αυτοσυγκρατούνται σε ινίδια και λειτουργούν ως τμήματα της ECM.
Ασθενειες κολλαγόνων:
α) αυξημένη σύνθεση κολλαγόνου ενέχεται σε ινώσεις (προσβάλει πνέυμονα
και ήπαρ)
β) μειωμένη σύνθεση κολλαγόνου προκαλεί σύνδρομο Elhes-Danlos
(επηρεάζει δέρμα, τένοντες)
γ) μεταλλαγμένα γονίδια κολλαγόνων ενέχονται με οστεοπόρωση,
οστεοαθροίτηδα, ανευρίσματα αιμοφόρων αγγείων.
Φιμπρονεκτίνη: συντηρημένη ECM πρωτεΐνη. Αποτελείται από δύο
πολυπεπτιδικές αλυσίδες με διακριτές περιοχές που δεσμεύουν κολλαγόνο,
πρωτεογλυκάνες και ειδικούς υποδοχείς της κυτταρικής επιφάνειας
(ιντεγκρίνες). Συμμετέχει στην μετανάστευση κυττάρων, πήξη αίματος,
κυτταροφαγία και επούλωση πληγών.
Πρωτεογλυκάνες: δομή και λειτουργία
-
Πρωτεογλυκάνες: είναι σύμπλοκα πολυσακχαριτών με πρωτεΐνες και
σχηματίζουν την άμορφη ύλη που γεμίζει τον εξωκυτταρικό χώρο.
Ιδιότητες εξωκυτταρικών συσσωματωμάτων των πρωτεογλυκανών:
α) προσελκύουν Να+ εξαιτίας των γλυκοζαμινογλυκανών (αρνητικά
φορτισμένες) που κρατούν νερό στον εξωκυτταρικό χώρο. Έτσι οι
πρωτεογλυκάνες σχηματίζουν πορώδες ενυδατωμένο πύκτωμα που
αντιστέκεται στις συμπιέσεις.
β) σε συνδιασμό με τα κολλογόνα προσδίδουν ισχύ και ανθεκτικότητα στις
δομές (αυτιά, μύτη κλπ).
21
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
γ) λειτουργούν ως ηθμός. Μακρομόρια και βακτήρια δεν διαπερνούν εύκολα
την ECM για να εισχωρήσουν στο κύτταρο.
δ) Το υαλουρονικό οξύ ελεγχει τη συσσωμάτωση κυττάρων κατά την
εμβρυογένεση και διευκολύνει τη μετανάστευση των κυττάρων, τη
μορφογένεση των ιστών και επούλωση πληγών.
Συνδεκίνη: είναι πρωτεογλυκάνη που δεν βρίσκεται στην εξωκυτταρική ύλη
αλλά διαπερνά την πλασματική μεμβράνη και συνδέεται με ινίδια ακτίνης.
Μεταβιβάζει πληροφορίες στο κύτταρο και επιδρά στη μορφή του,
κινητικότητά του, προσκόληση και διαφοροποίησή του.
Κυτταρικό τοίχωμα: εξωκυτταρικός σχηματισμός των φυτικών κυττάρων και των
βακτηρίων.
-
-
-
-
Κυτταρίνη (πολυμερές της γλυκόζης): ινώδες συστατικό που συγκροτείται
στην κυτταρική επιφάνεια.
Κυτταρικό τοίχωμα βακτηρίων: Η χημική δομή του τοιχώματος των
προκαρυωτικών κυττάρων είναι πιο πολύπλοκη από τη δομή του φυτικού
κυττάρου. Η βασική του δομή χαρακτηρίζεται από μια σκληρή στιβάδα, την
πεπτιδογλυκάνη ή μουρεΐνη.
Σύνοψη: Η εξωκυτταρική ύλη βρίσκεται έξω από την πλασματική μεμβράνη
και συνίσταται από βιομόρια που έχουν εκριθεί από το κύτταρο και
επηρεάζουν την κυτταρική συμπεριφορά. Κυριότερα βιομόρια: κολλαγόνα,
πρωτεογλυκάνες, φιμπρονεκτίνη κλπ. Η εξωκυτταρική ύλη σχηματίζει δομές
όπως το βασικό έλασμα και κυτταρικό τοίχωμα των φυτικών και βακτηριακών
κυττάρων.
Ασκήσεις ανασκόπησης:
1. εξωκυτταρική ύλη : ζωικά κύτταρα
κυτταρικό τοίχωμα: μύκητες, βακτήρια, φυτικά κύτταρα, φύκη
2. εξωκυτταρική ύλη: φιμπρονεκτίνη, λαμινίνη, κολλαγόνο, ελαστίνη.
Κυτταρικό τοίχωμα: πηκτίνη, κυτταρίνη, ελαστίνη.
3. Τα κολλαγόνα είναι πρωτεΐνες δομικές που ανήκουν στις ινώδεις
πρωτεΐνες της εξωκυτταρικής ύλης.
5. Στο κυτταρικό τοίχωμα των φυτικών κυττάρων απαντά η κυτταρίνη.
Ασκήσεις ανασκόπησης:
1. Εξωκυτταρική ύλη: είναι σύνολο εκρινομένων και αλληλοσυμπλεκόμενων
μορίων που επηρεάζει τη συμπεριφορά του κυττάρου.
2. Το βασικό έλασμα είναι εξωκυτταρική ύλη, μόνο που περιβάλλει τα μυϊκά
και λιπώδη κύτταρα και υπόκειται του επιθυλιακού ιστού.
3. Μόρια εξωκυτταρικής ύλης που μεταβιβάζουν πληροφορίες: είναι οι
πρωτεογλυκάνες της θειικής κυτταρίνης.
4. Βασικές λειτουργίες πρωτεογλυκανών: προσδίδουν ελαστικότητα,
ανθεκτικότητα (στα αυτιά), σκληρότητα, στερεότητα (στα οστά, δόντια),
ηθμός για διάφορα παθογόνα.
3.3 Κυτταρική αναγνώριση και προσκόλληση.
-
Αππόρριψη μοσχεύματος: οφείλεται στο ότι τα κύτταρα του μοσχεύματος αν
αναγνωριστουν από τα κύτταρα του ανοσοποιητικού ως ξένα, δίνεται εντολή
ανοσαπόκρισης με αποτέλεσμα την καταστροφή του μοσχεύματος.
22
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
Ιστοί και όργανα δημιουργούνται αν αναγνωρίζονται και αλληλοσυνδέονται
τα κυτταρα.
Τρόποι δημιουργίας ιστών:
α) Τα κύτταρα πολλαπλασιάζονται και συνδέονται επιτόπια.
β) Μετανάστευση κυττάρων σε άλλες θέσεις όπου δημιουργούν ιστούς.
Μόρια αναγνώρισης: γλυκολιπίδια και γλυκοπρωτεΐνες (στην επιφάνεια των
κυττάρων).
Κυτταρική αναγνώριση και άμυνα: τα λευκοκύτταρα αναγνωρίζουν και
διεγείρουν το ανοσοποιητικό σύστημα που καταστρέφει το κύτταρο εισβολέα.
Κυτταρική αναγνώριση και δημιουργία ιστών: ο σχηματισμός ιστών οφείλεται
σε μόρια της κυτταρικής επιφάνειας.
Κυτταρική αναγνώριση και επιβίωση: μόρια αναγνώρισης της κυτταρικής
επιφάνειας συμμετέχουν στις αλληλεπιδράσεις σπέρματος-ωαρίου.
Η προσκόλληση κυττάρου σε ακυτταρική επιφάνεια.
-
Ιντεγκρίνες (integrins): υποδοχείς προσκόλησης. Συνδέουν την ECM με τον
κυτταροσκελετό. Το εξωκυτταρικό τμήμα τους δεσμεύεται με την EMC (πχ
κολλαγόνο) διαμέσου της φιμπρονεκτίνης και το κυτταροπλασματικό τμήμα
τους ενώνεται με τον κυτταροσκελετό.
Η προσκόλληση ενός κυττάρου σε ένα άλλο κύτταρο.
-
-
-
-
Υπάρχει σχέση μεταξύ των μορίων πρόσδεσης των κυττάρων και της
μετάστασης του καρκίνου.
Η προσκόληση ενός κυττάρου σε ένα άλλο όμοιο ή ανόμοιο κύτταρο
οφείλεται στις γλυκοπρωτεΐνες της κυτταρικής επιφάνειας που συνδέονται με:
α) όμοιες γλυκοπρωτεΐνες άλλου κυττάρου (ομοφυλική σύνδεση)
β) διαφορετικές γλυκοπρωτεΐνες του άλλου κυττάρου (ετεροφιλική σύνδεση)
γ) τη βοήθεια τρίτου μορίου.
Βασικές κατηγορίες γλυκοπρωτεϊνών της κυτταρικής επιφάνειας:
α) η υπεροικογένεια των ανοσοσφαιρινών (ΙgSF): είναι διαμεμβρανικές
πρωτεΐνες των λεμφοκυττάρων και συμμετέχουν στις αμυντικές λειτουργίεα
και μερικές στη σύνδεση κυττάρων.
β) η υπεροικογένεια των ιντεγκρινών (integrins): συμμετέχουν και στην
προσκόληση κυττάρων.
γ) η υπεροικογένεια των καντερινών (cadherins): συμμετέχουν σε ομοφιλικές
αλληλεπιδράσεις και απαντούν σε πολλά είδη ιστών. Χαρακτηρίζονται ως Ε-,
Ρ-, Ν-, Τ- καντερίνη.
δ) οι σελεκτίνες (selectins): αναγνωρίζουν και δεσμεύουν μια ειδική ομάδα
τεσσάρων σακχάρων που βρίσκονται στην άκρη των υδατανθρακικών
αλυσιδών των γλυκοπρωτεϊνών και των γλυκολιπιδίων.
Σύνοψη: Η κυτταρική αναγνώριση και προσκόληση είναι απαραίτητες στους
πολυκύτταρους οργανισμούς. Η κυτταρική αναγνώριση οφείλεται σε
γλυκολιπίδια και γλυκοπρωτεΐνες της κυτταρικής επιφάνειας, ενώ η
προσκόληση γίνεται με ορισμένες οικογένειες πρωτεϊνών (σελεκτίνων,
ιντεγκρίνων, καντερίνων, ανοσοσφαιρίνες).
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. Η κυτταρική οργάνωση οφείλεται σε γλυκολιπίδια και γλυκοπρωτεΐνες της
πλασματικής μεμβράνης.
23
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
2. Η προσκόληση κυττάρου σε ακυτταρική επιφάνεις γίνεται με τη βοήθεια
ιντεγκρινών.
3. Η σύνδεση δυο όμοιων γλυκοπρωτεϊνών ονομάζεται ομοφυλική, ενώ
διαφορετικών ετεροφυλική.
4. Οι ιντεγκρίνες συμμετέχουν στην προσκόληση κυτταρου με μη κυτταρική
επιφάνεια.
Ασκήσεις ανασκόπησης:
1. Η κυτταρική αναγνώριση είναι απαραίτητη για τη διαφοροποίηση,
ανάπτυξη και επιβίωση πολυκύτταρων οργανισμών.
2. Κυτταρική αναγνώριση και άμυνα οργανισμού συνδέονται γιατί αμύνεται
αφού αναγνωριστεί το παθογόνο από μόρια της επιφάνειας του κυττάρου.
3. Οι σελεκτίνες δεσμεύονται με πολυσακχαρίτες της κυτταρικής επιφάνειας
ενώ οι καντερίνες διασυνδέονται ομοφυλικά.
3.4 Κυτταρική επικοινωνία
-
Κυτταρική επικοινωνία: είναι το σύνολο των ερεθισμάτων (μηνυματοφόρων
μορίων-πληροφοριών) που δεχεται το κύτταρο απ’ έξω και την κατάλληλη
απόκριση του στα μηνύματα αυτά. Η κυτταρική επικοινωνία επηρεάζει όλες
τις δραστηριότητες του κυττάρου. Είναι καθοριστική στην αύξηση και
διαίρεση ενός κυττάρου, διεργασίες άμεσα συσχετιζόμενες με την
καρκινογένεση.
Γενικές αρχές
-
-
Το ερέθισμα που δέχεται ένα κύτταρο μπορεί να προέρχεται απο άλλο
κύτταρο σε μακρινή απόσταση, ή από γειτονικό, ή από το ίδιο, ή από μη
κύτταρο (πχ βασικό έλασμα).
Το κύτταρο έχει υποδοχείς για να αντιδρά στα μηνυματοφόρα μόρια. Το ίδιο
μηνυματοφόρο μόριο προκαλεί διαφορετικές αποκρίσεις σε διαφορετικά
κύτταρα. Πχ η ορμόνη ακετυλοχολίνη (μηνυματοφόρο) όταν φτάσει στον
υποδοχέα ενός:
α) εκριτικού κυτταρου προκαλεί έκριση
β) καρδιακού κυττάρου προκαλεί χαλάρωσή του
γ) μυϊκού κυττάρου προκαλεί συστολή του.
Παρότι ο αριθμός των υποδοχέων είναι περιορισμένος το κύτταρο αντιδρά
σαν να δεχόταν πολλαπλάσια σήματα γιατί το ενδοκυτταρικό σύστημα
επικοινωνίας αλληλεπιδρά έτσι ώστε η παρουσία ενός σήματος να τροποποιεί
την απόκριση ενός άλλου σήματος. Οι συνδιασμοί των σημάτων επιτρέπουν
στο κύτταρο να επιβιώνει, να διαφοροποιείται ή να διαιρείται. Αν δεν δέχεται
σήματα ξεκινά η διαδικασία του προγραμματισμένου κυτταρικού θανάτου.
Τα μηνυματοφόρα μόρια διακρίνονται σε:
α) εξωγενή μόρια που δεσμεύονται σε υποδοχείς της κυτταρικής επιφάνειας
β) εξωγενή μόρια που διαχέονται διαμέσου της πλασματικής μεμβράνης
γ) μόρια της πλασματικής μεμβράνης που ενεργοποιούνται με επαφή με άλλες
κυτταρικές επιφάνειες ή μη.
Επικοινωνία των κυττάρων διαμέσου υποδοχέων της πλασματικής μεμβράνης.
24
Τόμος Α
-
-
-
Κυτταρική βιολογία
Τα μηνυματοφόρα μόρια είναι υδρόφιλα και δεσμεύονται στους υποδοχείς της
πλασματικής μεμβράνης. Μετά τη δέσμευσή τους δεν εισέρχονται στο
κύτταρο. Εκείνο που μεταφέρεται είναι η πληροφορία.
Μεταγωγή της πληροφορίας (εμπλέκονται πρωτεΐνες): Ενδοκυτταρικά το
σήμα πολλαπλασιάζεται (ενισχύεται) και αποκλίνει σε διάφορους στόχους με
αποτέλεσμα πολύπλοκες κυτταρικές αποκρίσεις (πχ ρύθμιση μεταβολισμού,
αλλαγές κυτταροσκελετου, ρύθμιση έκφρασης γονιδίων).
Κατηγορίες υποδοχέων:
α) στους οποίους δεσμεύονται G-πρωτεΐνες: είναι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες
που δεσμεύουν μηνυματοφόρα όπως πρωτεΐνες, πεπτίδια, αμινοξέα, λιπαρά
οξέα. Αποτελούνται από α, β, γ-υπομονάδες.
β) που συνδέονται με κινάσες τυροσίνης: έχουν ενεργότητα κινάσης (ένζυμο)
που ενεργοποιούν διάφορες πρωτεΐνες και εν τέλει κάποια γονίδια.
γ) που δημιουργούν ιοντικούς δεσμούς: δεν μεταβιβάζεται πληροφορία αλλά
δημιουργείται δίαυλος και διαμετακινούνται ιόντα.
Η ενδοκυτταρική μεταβίβαση της πληροφορίας μετά τη δέσμευση των
μηνυματοφόρων μορίων στους υποδοχείς τους και μέχρι να ενεργήσουν στο
στόχο τους είναι διακριτές αλληλουχίες αντιδράσεων που δημιουργούν στο
κύτταρο κυκλώματα πληροφοριών με τα εξής χαρακτηριστικά:
α) μηνύματα από διαφορετικά μηνυματοφόρα μόρια που το καθένα
δεσμεύεται στον δικό του υποδοχέα συγκλίνουν και ενεργοποιούν έναν κοινό
τελεστή.
β) μηνύματα από το ίδιο μηνυματοφόρο μόριο είναι δυνατό να αποκλίνουν και
να ενεργοποιήσουν περισσότερους διαφορετικούς τελεστές, με αποτέλεσμα τη
διαφορετική απόκριση.
γ) μηνύματα μπορούν να μεταβιβάζονται αμφίδρομα στις διάφορες
αλληλουχίες αντιδράσεων ώστε τα ίδια υποστρώματα να ενεργοποιούνται
διαμέσου διαφορετικών αλληλουχιών αντιδράσεων.
Επικοινωνία κυττάρων με μηνυματοφόρα μόρια που διαπερνούν την
πλασματική μεμβράνη.
-
Στεροειδής ορμόνες, θυροειδείς ορμόνες, ρετινοειδή και βιταμίνη D
διαπερνούν την πλασματική μεμβράνη. Αυτές κυκλοφορούν στα υγρά του
σώματος σε πρωτεΐνες-μεταφορείς. Μετά απελευθερώνονται από τις
πρωτεΐνες-μεταφορείς και εισέρχονται στο κύτταρο και δεσμεύονται είτε στον
υποδοχέα τους, είτε στο κυτταρόπλασμα, είτε στον πυρήνα και αλλάζουν τη
διαμόρφωσή τους. Αυτό ενεργοποιεί τον υποδοχέα που δεσμεύεται στις
ρυθμιστικές ακολουθίες του DNA όπου επάγει ή καταστέλει τη μεταγραφή
γονιδίων.
Επικοινωνία κυττάρων με μηνύματα που προέρχονται από την επαφή.
-
-
Μηνύματα που δέχεται ένα κύτταρο εξαιτίας επαφής του με άλλο κύτταρο ή
το βασικό έλασμα. Οι πρωτεΐνες της πλασματικής μεμβράνης σε συνδιασμό
με τον κυτταροσκελετό με τον οποίο έρχονται σε επαφή διαβιβάζουν
μηνύματα από το περιβάλλον στο εσωτερικό του κυττάρου.
Ιντεγκρίνη-φιμπρονεκτίνη: η δέσμευση της φιμπρονεκτίνης στις ιντεγκρίνες
παράγει μηνύματα που οδηγούν στην απελευθέρωση Ca+ στο κυτταρόπλασμα,
25
Τόμος Α
-
-
-
-
Κυτταρική βιολογία
αύξηση ινοσιτόλης, αύξηση φωσφορυλίωσης τυροσινών σε πρωτεΐνες και
αλλάγές στα γονίδια.
Σύνοψη: η επικοινωνία του κυττάρου περιλαμβάνει: αναγνώριση
μηνυματοφόρου μορίου, μεταβίβαση πληροφορίας, απόκριση. Η απόκριση
του κυττάρου περιλαμβάνει αλλαγές στα γονίδια, αλλαγές στο μεταβολλισμό,
τον κυτταροσκελετό, τη διαπερατότητα σε ιόντα , τη σύνθεση του DΝΑ, τον
πολλαπλασιασμό ή θάνατο του κυττάρου.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. όλα τα κύτταρα ενός οργανισμού επικοινωνούν με το περιβάλλον τους.
Δεν επιβιώνει κύτταρο που δεν επικοινωνεί.
2. Οι υποδοχείς είναι απαραίτητοι για δέσμευση μηνυματοφόρων μορίων και
τη μεταβίβαση στο εσωτερικό της πληροφορίας, με αλλαγή της
διαμόρφωσης του υποδοχέα.
3. Το ενδοκυτταρικό σύστημα μεταβίβασης πληροφορίας δεν είναι
ξεχωριστό για μια ομάδα μηνυματοφόρων μορίων, ούτε μοναδικό για κάθε
μηνυματοφόρο μόρο.
4. Τα μηνυματοφόρα μόρια μπορεί να είναι διάφορα μόρια από ανόργανα
μέχρι μακρομόρια.
Ασκήσεις ανασκόπησης:
1. Κατηγορίες μηνυματοφόρων μορίων: α) αυτά που δεσμεύονται σε
υποδοχείς, β)αυτά που δεσμεύονται διαμέσου πλασματικής μεμβράνης, γ)
που ενεργοποιούνται με επαφή.
2. Η ενεργοποίηση μορίων με τη μεταβίβαση πληροφορίας διαμέσου
υποδοχέων γίνεται με φωσφορυλίωση ορισμένων τυροσινών στις
πρωτεΐνες.
3. Με την
επαφή δυο κυττάρων εκρίνονται διάφορα μόρια (πχ
φιμπρονεκτίνη) που δεσμεύονται σε ιντεγκρίνες και δημιουργείται μήνυμα
που μεταβιβάζεται στο εσωτερικό που άλλου κυττάρου.
4. Στεροειδείς ορμόνες: επειδή είναι λιποδιαλύτες διαχέονται μέσω της
πλασματικής μεμβράνης και συνδέονται στο κυττρόπλασμα με τον
υποδοχέα τους με ταυτόχρονη αλλαγή της διαμόρφωσής τους. Το
σύμπλοκο διαμέσου των πυρηνικών πόρων εισερχεται στο DNA.
Σύνοψη κεφαλαίου:
1.
Κυτταρικές αλληλεπιδράσεις: διεργασίες που επιτελούνται διαμέσου
της πλασματικής μεμβράνης.
2.
Δομές κυτταρικών αλληλεπιδράσεων: μικρολάχνες, ημιδεσμοσώματα,
εστίες
προσκόλησης,
δεσμοσώματα,
στενοσύνδεσμοι,
χασματοσύνδεσμοι, πλασματοσύνδεσμοι. Εκτός από τις δομές πρέπει
να υπάρχουν και τα κατάλληλα βιομόρια.
3.
Εξωκυτταρική ύλη: είναι το σύνολο των βιομορίων που έχουν εκριθεί
από το κύτταρο και επηρεάζουν την κυτταρική συμπεριφορά. Μαζί με
τον γλυκοκάλυκα (το υδατανθρακικό τμήμα των γλυκοπρωτεϊνών και
των γλυκολιπιδίων της πλασματικής μεμβράνης) προασπίζονται τα
κύτταρα και αλληλεπιδρούν με άλλες κυτταρικές ή μη επιφάνειες. Η
κυτταρική αναγνώριση οφείλεται στα γλυκολιπίδια και τις
γλυκοπρωτεϊνες της κυτταρικής μεμβράνης.
4.
Αναγνώριση, απαραίτητη για: πολυκύταρη οργάνωση, άμυνα κυττάρου.
26
Τόμος Α
5.
6.
Κυτταρική βιολογία
Προσκόληση: γίνεται με πρωτεΐνες γνωστές ως σελεκτίνες, ιντεγκρίνες,
καντερίνες, ανοσοσφαιρίνες.
Με την αναγνώριση και προσκόληση μεταβιβάζεται στο εσωτερικό του
κυττάρου πληροφορία που φτάνει στον πυρήνα ή άλλο στόχο για την
απόκριση του κυττάρου.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4
-
-
-
Εισαγωγικές παρατηρήσεις: Αν τα βιομόρια στο κύτταρο ήταν ανακατεμένα
θα προέκυπτε χάος. Το κύτταρο κατά τη μακραίωνη εξέλιξή του κατάφερε να
οργανώσει δομή και έτσι α) τα ένζυμα και οι πρωτεΐνες που απαιτούνται για
τη μεταβολική οδό σχηματίζουν πρωτεϊνικό σύμπλοκο (DNA, RNA και
πρωτεΐνες), β) διαχωρισμός χημικών αντιδράσεων σε διάφορα διαμερίσματα
που περιβάλλονται από μεμβράνη. Το κεφάλαιο περιλαμβάνει:
1. το ενδοπλασματικό δίκτυο (ER)
2. το σύμπλεγμα Golgi
3. σύνθεση, διαλογή, ορίμανση πρωτεϊνών
4. η μετακίνηση των πρωτεϊνών διαμέσου του ενδομεμβρανικού συστήματος
γίνεται με κυστίδια.
5. κυτταρική πρόσληψη σωματιδίων και μακρομορίων.
6. λυοσωματα και κυτταρική πέψη.
Το δίκτυο μεμβρανών (ενδοπλασματικό δίκτυο, σύμπλεγμα
Golgi,
πλασματική μεμβράνη, λυοσώματα, κυστίδια) του κυτταροπλάσματος μετέχει
στις διεργασίες της βιοσύνθεσης, έκκρισης, πρόσληψης ουσιών από το
περιβάλλον κτλ.
Διεργασία βιοσύνθεσης και έκρισης: βιοσύνθεση και ροή λιπιδίων,
υδατανθράκων, και εγκλωβισμένων σε κυστίδια πρωτεϊνών.
Διεργασία πρόσληψης: είσοδο μικρομορίων, σωματιδίων, παθογόνων κτλ
εγκλωβισμένων σε κυστίδια.
Τα κυστίδια με το φορτίο τους κινούνται προς διάφορες κατευθύνσεις και
συντήκονται με συγκεκριμένες μεμβράνες (υπάρχει ενδοκυτταρικό
προγραμμα με σύστημα αναγνώρισης).
Κλασμάτωση κυτταρικών στοιχείων είναι ο διαχωρισμός και απομόνωση των
διαφόρων οργανιδίων. Αυτό γίνεται με:
1. ομογενοποίηση, δηλ σπάζεις το κύτταρο και απομακρύνεις τα διάφορα
μεμβρανικά στοιχεία.
2. φυγοκέντριση, ώστε να διαχωριστούν τα κυστίδια
3. βιοχυμική ανάλυση στα απομονωμένα κυστίδια
4.1 Το ενδοπλασματικό δίκτυο
-
-
Το ενδοπλασματικό δίκτυο (endoplasmic reticulum-ER) είναι ένα εκτεταμένο
αλληλοσυνδεόμενο μεμβρανικό δίκτυο αποτελούμενο σωληνάρια, κυστίδια,
ασκίδια. Ο εσωτερικός του χώρος ονομάζεται αυλός (lumen) και η περιοχή
εκτός μεμβρανών διαλυτή φάση. Το ER καταλαμβάνει πάνω από το 10% του
όγκου του κυττάρου. Οι αυλοί επικοινωνούν μεταξύ τους καθώς και με του
πυρηνικό χώρο.
Το ER διακρίνεται σε αδρό που έχει ριβοσώματα και λείο που δεν έχει
ριβοσώματα. Τα δυο ER είναι σε διαφορετικές αναλογίες στα κύτταρα.
27
Τόμος Α
-
-
-
Κυτταρική βιολογία
1. Λειτουργία αδρού ER. Σύνθεση πρωτεϊνών και λιπιδίων:
Στο αδρό ΕR συνθέτονται οι πρωτεΐνες που εκκρίνονται, οι διαλυτές
πρωτεΐνες, τα λιπίδια των μεμβρανών και οι ενσωματωμένες μεμβρανικές
πρωτεΐνες των οργανιδίων. Οι υπόλοιπες πρωτεΐνες του κυττάρου
συνθέτονται σε ελεύθερα ριβοσώματα. Τα λιπίδια που παράγονται στις
μεμβράνες του αδρού ER μεταφέρονται στα διάφορα οργανίδια
(σύμπλεγμα Golgi, λυοσώματα) με τη μεσολάβηση μικρών κυστιδίων
μεταφοράς (transport vesicles), τα οποία δημιουργούνται από τη μεμβράνη
του ER με εκβλάστηση και συντήκονται με τη μεμβράνη του οργανιδίου
που προορίζονται. Στους χλωροπλάστες και μιτοχόνδρια τα
φωσφορολιπίδια μεταφέρονται με πρωτεΐνες μεταφορείς που το αφαιρούν
από τη μεμβράνη και το μεταφέρουν σε άλλη.
2. Λειτουργεία λείου ER: συμμετοχή σε βασικές κυτταρικές λειτουργίες
Το λείο ER συμμετέχει στις εξής λειτουργίες:
α) Αποτοξίνωση: τα ένζυμα υδροξυλίωσης μετατρέπουν τοξικές
υδροφόρες ενώσεις (φάρμακα, εντομοκτόνα κλπ) που δεν εκρίνονται σε
υδρόφιλες ταχείας έκκρισης.
β) Έκκριση της γλυκόζης από το ύπαρ (υπατικά κύτταρα) με βοήθεια της
φωσφατάσης (φωσφορυλίωσης).
γ) Η ρυθμιζόμενη απελευθέρωση ιόντων ασβεστίου από τις μεμβράνες του
λείου ER στον εσωτερικό χώρο με κυτταρικές αποκρίσεις όπως συστολή
σκελετικών μυϊκών κυττάρων.
δ) Σύνθεση στεροειδών ορμονών στα ενδοκρινή κύτταρα των γεννετικών
αδένων και στο φλοιό των επινεφρίδων.
Σύνοψη: Το ER είναι μεμβρανικό σύστημα αποτελούμενο από σωληνάρια,
κυστίδια, ασκίδια. Διακρίνεται σε αδρό (φέρει προσδεμένα ριβοσώματα) και
σε λείο. Στο αδρό γίνεται η σύνθεση των πρωτεϊνών προς έκριση,
ενσωματωμένων μεμβρανικών πρωτεϊνών, λυοσωμάτων και λιπιδίων των
μεμβρανών. Στο λείο συνθέτονται στεροειδής ορμόνες, αποτοξινόνονται
τοξίνες και απελευθερώνεται γλυκόζη από το ύπαρ (υπατικά κύτταρα).
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
Αδρό ER: σύνθεση εκκριτικών πρωτεϊνών, σύνθεση λιπιδίων.
Λείο ER: σύνθεση στεροειδών ορμονών, σύνθεση λιπιδίων, απελευθέρωση
γκυκόζης, απελευθέρωση ιόντων ασβεστίου.
Ασκήσεις ανασκόπησης:
1. Μορφολογικές-λειτουργικές διαφορές λείου- αδρού ER.
α) Το αδρό φέρει ριβοσώματα , το λείο όχι.
β) Το αδρό συνθέτει πρωτεΐνες ενώ το λείο λιπίδια, στεροειδής ορμόνες,
απελευθερώνει ιόντα ασβεστίου και γλυκόζης και συμβάλει στην
αποτοξίνωση των κυττάρων από τοξικές ουσίες.
2. Πώς το λείο ER συμβάλει ατην αποτοξίνωση: περιέχει υδρολυτικά ένζυμα
που καθιστά τις αδιάλυτες τοξικές ουσίες σε διαλυτλες στο νερό και έτσι
απομακρύνονται (εκκτίνονται) από το κύτταρο.
4.2 Το σύμπλεγμα Golgi.
-
Το σύμπλεγμα Golgi συνίσταται από συστοιχία πλατυσμένων σακών
δισκοειδούς μορφής (5-8 τον αριθμό) και από εκκριτικά κυστίδια. Το μέγεθος
και ο αριθμός των συμπλεγμάτων Golgi ποικίλει σε καθε τύπο κυττάρου.
Λειτουργικά διαμερίσματα συμπλέγματος Golgi:
28
Τόμος Α
Κυτταρική βιολογία
α) cis Golgi δίκτυο (CGN): λειτουργεί ως πρώτος σταθμός διαλογής των
πρωτεϊνών, ματαξύ αυτών που θα επιστρέψουν στο ER και αυτών που θα
προχωρήσουν στον επόμενο σταθμό.
β) κυρίως σύστημα Golgi που διακρίνεται σε cis περιοχή, ενδιάμεση περιοχή,
trans περιοχή και το trans Golgi δίκτυο (TGN).
Η λειτουργικότητα του συμπλέγματος Golgi σχετίζεται με την τοπογραφία
του στο κύτταρο.
-
-
-
Το σύμπλεγμα Golgi χρησιμεύει ως διαμετακομιστικό κέντρο των
μακρομορίων και ιδίως των πρωτεϊνών καθώς και κέντρο διαλογής και
προορισμού τους.
Κύριες λειτουργίες συμπλέγματος Golgi: οι πρωτεΐνες που έχουν συντεθεί στο
αδρό ER, κατά τη μετακίνησή τους διαμέσου του συμπλέγματος Golgi,
υφίστανται
διάφορες
μετα-μεταφραστικές
προποποιήσεις
(όπως
γλυκοζυλίωση πρωτεϊνών και λιπιδίων, προσθήκη θειικών ομάδων στο
υδατανθρακικό τους τμήμα και προτεόλυση πρωτεϊνών). Τα μακρομόρια μετά
τη λειτουργική τους ολοκλήρωση, επιλέγονται για τον τόπο προορισμού τους,
που μπορεί να είναι έκκριση από το κύτταρο, ενσωμάτωσή τους στην
πλασματική μεμβράνη ή είσοδός τους στα λυοσώματα.
Σύνοψη: το σύμπλεγμα Golgi είναι μια συστοιχία πλατυσμένων δίδκων με
ομοιογενή σύσταση και διαφορετική λειτουργία. Συμμετέχει στην ωρίμανση
και διαλογή πρωτεϊνών.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. Το σύμπλεγμα Golgi συμμετέχει στις λειτουργίες: ωρίμανση, διαλογή και
έκκριση πρωτεϊνών .
2. το cis δίκτυο (CGN) του Golgi συνορεύει με το ER.
Άσκηση ανασκόπησης: ωρίμανση πρωτεϊνών = μετα-μεταφραστικές
τροποποιήσεις των πρωτεϊνών ώστε να καταστούν λειτουργικές.
4.3 Σύνθεση, διαλογή και ωρίμανση πρωτεϊνών.
-
Πρωτεϊνες υπάρχουν σε όλα τα οργανίδια και διαμερίσματα του κυτταρου.
Συνθέτονται σε ελεύθερα ριβοσώματα ή δεσμευμένα στο ER. Κινούνται και
αναγνωρίζουν την τελική θέση στο κύτταρό τους (πχ πλασματική μεμβράνη,
μιτοχόνδριο κλπ), χωρίς να προσβάλονται από πρωτεολυτικά ένζυμα ή
αναδιπλώνονται τυχαία στον τόπο της απώλειας λειτουργικότητάς τους. Η
επιλογή του προορισμού οφείλεται σε ειδικά σήματα (πχ αμινοξική
αλληλουχία, ολιγοσακχαρικές αλυσίδες, φωσφορυλίωση) που οι πρωτεΐνες
περιέχουν και αναγνωρίζονται από ειδικούς υποδοχείς της κυτταρικής
επιφάνειας των οργανιδίων ή λυστιδίων που τις μεταφέρουν. Όταν φτασουν
στον προορισμό το σήμα αποκόπτεται. Οι εκκριτικές πρωτεΐνες δεν απαντούν
ελεύθερες στο κυτταρόπλασμα.
Μελέτη σύνθεσης και μετακίνησης των πρωτεϊνών με αυτοραδιογραφία.
-
Αυτοραδιογραφία: τεχνική που βλέπεις τη δυναμική μιας βιοχημικής
διεργασίας στο κύτταρο. Τα κύτταρα επωάζονται με ραδιενεργά αμινοξέα και
παρατηρούνται οι νεοσυνθετόμενες (ραδιενεργές) πρωτεΐνες με μικροσκόπιο.
29
Τόμος Α
Κυτταρική βιολογία
Οι πρωτεΐνες εμπεριέχουν στις αλληλουχίες τους όλες τις πληροφορίες για τη
διαλογή τους.
-
-
-
-
-
Σύνθεση και τοποθέτηση εκκριτικής πρωτεΐνης (διαμεμβρανικής ή
λυοσωματικής):
1. Δεσμέυεται το αντίστοιχο mRNA σε ελεύθερο ριβόσωμα και για τη
διαλογή εμπεριέχουν αλληλουχία πληροφοριών.
2. Αλληλουχία σήματος (διαλογή – προορισμός)
3. Περαιτέρω διαλογή πρωτεϊνών
Λειτουργική ωρίμανση πρωτεϊνών (λαμβάνει χώρα στο ER και σύμπλεγμα
Golgi) :
1. Σχηματισμός δισουφλιδικών δεσμών.
2. Γλυκοζυλίωση (ένωση με μόρια σακχάρων).
3. Πρωτεόλυση (ένα ανενεργό μόριο καθίσταται ενεργό με αλλαγή της
διαμόρφωσης της πρωτεΐνης σρο χώρο).
Σύνοψη: το ER και σύμπλεγμα Golgi συμμετέχουν στη σύνθεση , διαλογή και
ωρίμανση πρωτεϊνών.Η διαλογή και προορισμός κάθε πρωτεΐνης οφείλεται
στην αλληλουχία της. Η λειτουργικότητα των πρωτεϊνών αποκτάται με
τροποποιήσεις όπως γλυκοζυλίωση, πρωτεόλυση κλπ.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. Ελεύθερα ριβοσώματα: Περιφερειακές μεμβράνες, μιτοχονδρίων,
κυτταροσκελετού. Δεσμεμένα στο ER: Ενσωματωμένες μεμβράνες,
χυμοτοπίων, λυοσωμάτων.
2. Οι γλυκοπρωτεΐνες με Ο-γλυκοζιτικό δεσμό απαντούν μόνο στα ζωϊκά
κύτταρα.
3. Μια νεοσυνθετόμενη διαμεμβρανική πρωτεΐνη ενσωματώνεται στη
μεμβράνη γιατί φέρνει την αλληλουχία σήματος και μια εσωτερική
αλληλουχία υδρόφοβων αμινοξέων γιατί θα πρέπει να έχει και ένα σήμα
να σταματησει τη σύνθεση.
4. Ο SRP δεσμεύεται στο ριβόσωμα και στην αλληλουχία σήματος της
νεοσυνθετόμενης πρωτεΐνης, γιατί με αυτόν το τρόπο ελέγχει την
ειδικότητα της πρωτεΐνης και σταματά ταυτόχρονα τη σύνθεσή της.
5. Η διαλογή της πρωτεΐνης εξαρτάται από την αλληλουχία των αμινοξέων
της πρωτεΐνης.
Ασκήσεις ανασκόπησης:
1. Στερούνται αλληλουχίας σήματος η αιμοσφαιρίνη και ακτίνη γιατί είναι
κυτταροπλασματικές πρωτεΐνες.
2. 3. Συμβολή του ER και συμπλέγματος Golgi στη λειτουργία πρωτεϊνών:
επιτελούν στη διαλογή και ωρίμανση των πρωτεϊνών που συνθέτονται στα
ριβοσώματα του ER.
4.4 Η μετακίνηση των πρωτεϊνών διαμέσου του ενδομεμβρανικού συστήματος
γίνεται με κυστίδια.
-
Κυστίδια: Η μετακίνηση νεοσυνθετόμενων πρωτεϊνών από το ER διαμέσου
του συμπλέγματος Golgi προς την κυτταρική επιφάνεια ή αλλο οργανίδιο
(λυόσωμα, ενδοσώματα) γίνεται με κυστίδια. Τα κυστίδια σχηματίζονται με
εκβλάστηση από ένα μεμβρανικό σύστημα περιέχουν συγκεκριμένο φορτίο
και συντήκονται με οργανίδια στόχους. Για μικρές αποστάσεις η κίνησή του
30
Τόμος Α
-
-
Κυτταρική βιολογία
γίνεται με διάχυση. Αν είναι μεγάλη τότε γίνεται με τη βοήθεια πρωτεϊνών
κινητήρων και με συμμετοχή του κυτταροσκελετού.
Καλυμμένα κυστίδια: δημιουργούνται από ER ή Golgi και καλύπτονται από
συγκεκριμένες πρωτεΐνες στην κυτταροπλασματική πλευρά, που το
εγκαταλείπουν όταν ολοκληρωθεί ο σχηματισμός του κυστιδίου και
απελευθερωθεί από το ER ή Golgi. Συντίκονται με οργανίδια χωρίς κάλυμα.
Κατηγορίες κυστιδίων:
1. Καλυμμένα κυστίδια με κλαθρίνη: μεταφέρουν πρωτεϊνες από την TGN
περιοχή στην πλασματική μεμβράνη για έκκριση ή στα λυοσώματα για
αποικοδόμιση.
2. Καλυμμένα κυστίδια χωρίς κλαθρίνη: μεταφέρουν πρωτεΐνες από το ER
στο σύμπλεγμα Golgi και μέσα στο Golgi. Το κάλυμα αποτελείται από
πρωτεΐνες COP, ARF.
Η σύντηξη των μεμβρανών είναι ειδική.
-
Μετά το σχηματισμό του το κυστιδιο πρέπει να αναγνωρίζει το οργανίδιοστόχο ώστε να συντηχθεί και να απελευθερώσει το φορτίο του. Θα πρέπει να
υπάρχουν μόρια σηματοδότες να προσδιορίζουν το φορτίο και στο οργανίδιο
στόχο ή στην πλασματική μεμβράνη να υπάρχουν κατάλληλοι υποδοχείς.
Διαφορική έκκριση πρωτεϊνών
-
-
-
-
Νεοσυσταθέντες πρωτεΐνες, λιπίδια, υδατάνθρακες απελευθερώνονται στο
περιβάλλον του κυττάρου διαμέσου του ER και του συμπλέγματος Golgi.
Κατά τη διαδρομή αυτή γίνεται ωρίμανση των πρωτεϊνών και έλεγχος της
σωστής συγκρότησης και λειτουργικότητας τους. Μόνο οι ορθώς
ολοκληρωμένες πρωτεϊνες απελευθερώνονται στο περιβάλλον, οι άλλες
αποικοδομούνται.
Βασική έκκριση (ευκαρυωτικά κύτταρα): μεταφορά κυστιδίων προερχόμενα
από την TGN περιοχή προς την πλασματική μεμβράνη με την οποία
συντήκονται. Έτσι τροφοδοτείται η πλασματική μεμβράνη με νέες πρωτεΐνες
και λιπίδια. Ακόμη απελευθερώωει πρωτεΐνες στο περιβάλλον που άλλες
καθίστανται περιφερειακές άλλες εξωκυτταρική ύλη και άλλες μεταναστεύουν
σε άλλα κύτταρα-στόχους.
Ρυθμιζόμενη έκκριση: γίνεται μόνο σε απόκριση κάποιου ειδικού σήματος (πχ
ορμονικό ερέθισμα) και γίνεται με κυστίδια καλυμένα με κλαθρίνη. Τα
κυστίδια της ρυθμιζόμενης έκκρισης προέρχονται επίσης από την TGN
περιοχή και αρχικά περιέχουν λίγες πρωτεΐνες που με την πάροδο του χρόνου
αυξάνονται (συμπίκνωση) και υφίστανται πρωτεόλυση. Καθώς τα κυστία
κινούνται προς την πλασματική μεμβράνη και η συγκέντρωση πρωτεϊνών
αυξάνει με έκλυση νερού, τα κυστία αποκτούν μια κοκκόδη εμφάνιση και
καλούνται εκκριτικά κοκκία (secretory granules), μέχρι να δοθεί σήμα για την
εξωκυττάρωση (exocytosis) που είναι η διαδικασία σύντηξης των μεμβρανών
των κυστιδίων και της πλασματικής μεμβράνης και απελευθέρωση του
περιεχομένου τους στο περιβάλλον. Με τη σύντηξη η εσωτερική πλευρά της
μεμβράνης των κυστιδίων γίνεται εξωκυτταρική και αντιστρόφως.
Πολωμένη έκκριση: έκκριση πρωτεϊνών από συγκεκριμένες περιοχές του
κυττάρου.
31
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
Επιθυλιακά κύτταρα: εκκρίνουν άλλες πρωτεΐνες από το κορυφαίο τμήμα τους
και άλλες από το βασικό πλευρικό.
Νευρικά κύτταρα: εκκρίνουν νευροδιαβιβαστές μονο στις ενώσεις με άλλα
κύτταρα.
Η φωσφορυομένη μαννόζη καθοδηγεί ένζυμα στα λυοσώματα.
-
-
-
-
Η φωσφορυλιωμένη μαννόζη καθοδηγεί πρωτεΐνες από το σύμπλεγμα Golgi
στα λυοσώματα. Μηχανισμός: η TGN περιοχή του συμπλέγματος Golgi
περιέχει ειδικό υποδοχέα της φωσφορυλιωμένης μαννόζης που έχει διττό
ρόλο: αλληλεπιδρά με τα λυοσωματικά ένζυμα στο εσωτερικό του αυλού και
με τις ανταπτίνες στην κυτταροπλασματική πλευρά του TGN. Ακολούθως
σχηματίζεται κυστίδιο καλυμμένο με κλαθρίνη που συντίκεται με λυόσωμα.
Αποχωρίζονται τα λυοσωματικά ένξυμα από τον υποδοχέα τους. Ο υποδοχέας
της φωσφορικής μαννόζης επιστρέφει στην TGN περιοχή.
Σύνοψη: η μετακκίνηση των πρωτεϊνών στο ενδομεμβρανικό σύστημα γίνεται
με κυστίδια που μετακινούν τις πρωτεΐνες στη cis-περιοχή του Golgi. Τα
πρώτα κυστίδια σχηματίζονται στο ER καλυμμένα με πρωτεΐνες (COPs) αλλά
δεν περιβάλλονται με κλαθρίνη. Χάνουν το κάλυμμά τους όταν σχηματισθούν
πλήρως και απελευθερωθούν. Τα μη καλυμένα κυστίδια συντήκονται με
βοήθεια ειδικών πρωτεϊνών. Η διαλογή των πρωτεϊνών γίνεται κυρίως στην
TGN που δυμιουργούνται δυο τύποι κυστιδίων: ένας μεταφέρει συνεχώς
λιπίδια και πρωτεϊνες στην κυτταρική μεμβράνη και άλλος συγκεντρώνει το
φορτίο του και η σύντηξή του με την πλασματική μεμβράνη είναι ελεγχόμενη.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. Η μεταφορά των πρωτεϊνών από το ER στο σύμπλεγμα Golgi γίνεται με
κυστίδια που παράγονται στο ER (στο ER παράγονται οι πρωτεΐνες και
μεταφέρονται στο Golgi).
2. τα καλυμένα κυστίδια (χωρίς ή με κλαθρίνη) κουβαλούν επιλεγμένες
πρωτεΐνες. Η ύπαρξη καλύματος έχει σκοπό της εξειδίκευση.
3. Η γλυκόζη σε ορισμένες περιπτώσεις είναι το κλειδί διαλογής πρωτεϊνών.
4. Τα κυστίδια που εκβλαστάνουν από το ER αναγνωρίζουν τις μεμβράνες
του συμπλέγματος Golgi με ειδικές πρωτεΐνες που ονομάζονται SNARE.
Ασκήσεις ανασκόπησης:
1. Η πλευρά της μεμβράνης του συμπλέγματος Golgi που βλέπει στο
εσωτερικό είναι περισσότερο όμοια με την εξωκυτταρική πλευρά της
πλασματικής μεμβράνης, γιατί η εσωτερική πλευρά του Golgi γίνεται
εσωτερική του εκκριτικού κυστιδίου και κατά την εξωκυττάρωση γίνεται
εξωτερική πλευρά της πλασματικής μεμβράνης.
2. Το λυοσωματικό ενζυμο παραλαμβάνεται από ένα λυοσωματικό κυστίδιο:
Αρχικά οι λυοσωματικές πρωτεΐνες επισημαίνονται με φωσφορική
μαννόζη, αναγνωρίζονται τότε από εναν υποδεχέα, ο οποίος δεσμεύεται με
τις κατάλληλες ανταπτίνες της κυτταροπλασματικής πλευρά της TGN που
καταλλήγει σε ειδικό κυστίδιο.
3. Διαφορές στη λειτουργία κυστιδίων καλυμμένων με κλαθρίνη και μη
καλυμένων με κλαθρίνη: περιβάλλουν διαφορετικές πρωτεΐνες και η
έκκριση των μεν πρώτων είναι ρυθμιζόμενη, των δεύτερων συνεχής.
4. Εξωκυττάρωση: είναι η διαδικασία σύντηξης των μεμβρανών των
κυστιδίων και της πλασματικής μεμβράνης και απελευθέρωση του
περιεχομένου τους στο περιβάλλον.
32
Τόμος Α
Κυτταρική βιολογία
4.5 Κυτταρική πρόσληψη σωματιδίων και μακρομορίων.
-
Η είσοδος σωματιδίων και μακρομορίων στο κύτταρο γίνεται με κυστίδια
(μικρά τμημάτα της πλασματικής μεμβράνης μετατρρέπονται σε κυστίδια).
Γίνεται με δυο μηχανισμούς:
α) κυτταροφαγία (πρόσληψη σωματιδίων >0.5μm) και
β) ενδοκυττάρωση (πρόσληψη υγρού και διαλυμένων μορίων ή αιωρημάτων
μακρομορίων).
Κυτταροφαγία
-
Κυτταροφαγία= μηχανισμός πρόσληψης εξωτερικής ύλης, που απαντάται σε
μονοκύταρους οργανισμούς (αμοιβάδες, βλεφαριδοφόρα πρωτόζωα) και στα
φαγοκύτταρα:
α) Στους κατώτερους οργανισμούς: η κυτταροφαγία είναι ο μοναδικός τρόπος
πρόσληψης τροφής και στα πρωτόζωα συνδέεται άμεσα με την αμοιβαδοειδή
κίνηση. Η αμοιβάδα ενσωματώνει την τροφή (σωματίδια ή μικροοργανισμούς)
δημιουργώντας προεκβολές (ψευδοπόδια), που σχηματίζουν κατόπιν κυστίδια
(φαγοσώματα – phagosomes), που συντήκονται με λυοσώματα σχηματίζοντας
έτσι μεγάλα κυστίδια στα οποία γίνεται η πέψη με τη βοήθεια πρωτεολυτικών
ενζύμων.
β) Στους ανώτερους οργανισμούς: η κυτταροφαγία εδώ είναι μηχανισμός
άμυνας. Τα μικροφάγα εγκλωβίζουν τα βακτήρια και τα πέπτουν. Ακόμη
καθαρίζουν τον οργανισμό από από πεθαμένα κυτταρα.
Ενδοκυττάρωση
-
-
Ενδοκυττάρωση (δυο τρόποι):
α) μη ειδική πρόσληψη διαλυμένων μορίων και σωματιδίων:
Δεν απαιτούνται μόρια αναγνώρισης, γίνεται συνεχώς. Γίνεται στα
ευκαρυωτικά κύτταρα, ιδιαίτερα τα μικροφάγα, νεφρών, επιθυλίου του
εντέρου, ριζικών τριχιδίων των φυτών.
β) ειδική πρόσληψη εξωκυτταρικού υλικού με βοήθεια υποδοχέων:
Γίνεται επιλεγμένη πρόσληψη μακρομορίων (πχ ορμόνες, παράγοντες
αύξησης κλπ) που βρίσκονται σε μικρή συγκέντρωση στο περιβάλλον του
κυττάρου. Οι υποδοχείς είναι πρωτεΐνες της κυτταρικής επιφάνειας και μαζί
με το μακρομόριο εισέρχονται στο κύτταρο σχηματίζοντας κυστίδια καλυμένα
με κλαθρίνη. Αυτά μόλις αποχωριστούν την πλασματική μεμβράνη
απελευθερώνουν την κλαθρίνη (η οποία επιστρέφει στην πλασματική
μεμβράνη, δηλ ανακυκλώνεται), τα κυστίδια συντήκονται με άλλα κυστίδια
και σχηματίζουν ενδοσώματα (που έχουν αντίστοιχες λειτουργίες με την TGN
περιοχή). Οι υποδοχείς είτε επιστρέφουν στην πλασματική μεμβράνη, είτε
μετακινούνται στα λυοσώματα και αποικοδομούνται, είτε διακυταρώνονται.
Ορισμένα μικρομόρια προσλαμβάνονται από κύτταρα δεσμευμένα σε
πρωτεΐνες.
Ορισμένα μικρομόρια προσλαμβάνονται από κύτταρα δεσμευμένα σε
πρωτεΐνες. Με αυτό τον τρόπο μεταφέρονται οι ορμόνες από τον τόπο
παραγωγής στον τόπο δράσης τους.
33
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
Η χοληστερίνη είναι αδιάλυτη και μεταφέρεται ως γιγαντιαίο σύμπλοκο LDL
(Low Density Lipoproteins), μορφής σφαιριδίου και με πυρήνα με 1500 μόρια
μη εστεροποιημένης χοληστερίνης.
Τα κύτταρα που προσλαμβάνουν
χοληστερίνη
έχουν
υποδοχείς
LDL.
Δεσμεύοντας
χοληστερίνη
δημιουργούνται καλυμμένα κυστίδια που κατόπιν συντήκονται με λυοσώματα
όπου η χολιστερίνη απελευθερώνεται για τη συγκρότηση της πλασματικής
μεμβράνης ή άλλες μεταβολικές δραστηριότητες (σύνθεση στεριειδών
ορμονών).
Χοληστερίνη και αρτηριοσκλήρυνση
-
-
-
-
Αρτηριοσκλήρυνση: οι αρτηρίες παχαίνουν και χάνουν την ελεστικότητά
τους, λόγω επικάθισης της χοληστερίνης στα τοιχώματα των αρτηριών. Η
χοληστερίνη παράγεται από το ύπαρ αλλά και από τροφή που μαζί η
ενδογενής και εξωγενής χοληστερίνες κυκλοφορούν στο αίμα δεσμευμένη
στην LDL (χαμηλής πυκνότητας λιποπρωτεΐνης) και εισέρχεται στα κύτταρα
με τους κατάλληλους υποδοχείς. Οι υψηλής πυκνότητας λιποπρωτεΐνες HDL
μεταφέρουν χοληστερίνη πίσω στο ύπαρ όπου μεταβολίζεται. Μερικά άτομα
είτε δεν διαθέτουν επαρκείς υποδοχείς είτε είναι ελαττωματικοί, αυξάνοντας
έτσι τα επίπεδα LDL στο αίμα με κίνδυνο αρτηριοσκλήρυνσης.
Σύνοψη:
1. Κυτταροφαγία= προσληψη σωματιδίων >0.5μm. Χρησιμεύει για
πρόσληψη τροφής και άμυνα οργανισμού.
2. Ενδοκυττάρωση=πρόσληψη υγρού με διαλυμένες ουσίες ή εναιωρήματα
μακρομορίων, εισερχόμενα από τους υποδοχείς και με συνακόλουθη
δημιουργία καλυμμένων κυστιδίων. Με την είσοδο τα κυστίδια χάνουν το
κάλυμμα, συντήκονται μα τα ενδοσώματα και απελευθερώνουν το
περιεχόμενο στα λυοσώματα.
3. Χοληστερίνη: εισέρχεται στα κύτταρα από τους υποδοχείς.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. Και στην κυτταροφαγία και στην ενδικυττάρωση τα εισερχόμενα υλικά
είναι πάντα εγκλωβισμένα σε κυστίδια.
2. LDL= γιγαντιαίο σύμπλοκο αποτελούμενο από χοληστερίνη και πρωτεΐνη.
3. Η κλαθρίνη είναι πρωτεΐνη που καλύπτει τα κυστίδια κατά την
ενδοκυττάρωση με τη μεσολάβηση υποδοχέων.
4. Ενδοσώματα: προέρχονται από τα καλυμμένα κυστίδια αφού αποβάλλουν
το κάλλυμα.
Ασκήσεις ανασκόπησης:
1. Διαφορά κυτταροφαγίας-ενδοκυττάρωσης : Στην κυτταροφαγία
εισέρχονται σωματίδια στο κύτταρο, ενώ στην ενδοκυττάρωση πλήθος
διαλυμένων ουσιών ή εναιωρημάτων.
2. Καλυμμένα κυστίδια: δημιουργούνται κατά την ενδοκυττάρωση με
μεσολάβηση υποδοχέων. Περιβάλλονται από μόρια κλαθρίνης που
αποτελούν το κάλυμμα.
3. Μέσα στα κυστίδια μεταφέρονται μικρομόρια και μεγαλομορια όπως η
χοληστερίνη.
4.6 Λυοσώματα και κυτταρική πέψη
34
Τόμος Α
-
-
-
Κυτταρική βιολογία
Λυοσώματα: Προέρχονται από το σύμπλεγμα Golgi. Περιβάλλονται με μονή
μεμβράνη και περικλείουν όλα τα υδρολυτικά ένζυμα του κυττάρου
(οπωσδήποτε οξόνη φωσφατάση). Συμμετέχουν στην κυτταροφαγία,
αυτοφαγία, αυτόλυση και εξωτερικη πέψη.
Διάκριση λυοσωμάτων:
α) πρωτογενή, που περιέχουν μόνο υδρολυτικά ένζυμα και δεν εμπλέκονται
στην πέψη.
β) δευτερογενή, προέρχονται από σύντηξη πρωτογενούς λυοσώματος με
φαγόσωμα. Υποδιαιρούνται σε: ι. πεπτικά κενοτόπια ή ετεροφαγοσώματα, ιι.
Υπολειπόμενα σωμάτια, ιιι. Αυτοφαγικά κενοτόπια ή αυτοφαγοσώματα.
Υδρολυτικά ένζυμα: αποικοδομούν όλες τις κύριες κατηγορίες μακρομορίων.
Οι δομικοί λίθοι των μακρομορίων ξαναχρησιμοποιούνται για σύνθεση νέων
πρωτεϊνών ή μεταβολικές διεργασίες.
Τα λυοσώματα συμμετέχουν στην κυτταροφαγία, στην αυτοφαγία, αυτόλυση και
εξωκυτταρική πέψη.
-
-
-
Ετεροφαγία: τόπος δράσης το εσωτερικό των λυοσωμάτων.
Αυτοφαγία: Τα υδρολυτικά ένζυμα πέπτουν φαγητό στο εξωτερικό του
κυττάρου.
Κυτταροφαγία: Στην αμοιβάδα μετά τον εγκλωβισμό της τροφής
δημιουργείται ένα κυτταρικό κυστίδιο, όπου συντήκεται με ένα πρωτογενές
λυόσωμα και δημιουργείται δευτερογενές λυόσωμα. Μετά τη δράση των
υδρολυτικών ενζύμων τα μικρομόρια που δημιουργούνται εκκρίνονται στο
κυτταρόπλασμα ενώ ότι μένει άπεπτο παραμένει στο κυστίδιο και καλείται
πλέον υπολειπόμενο σωμάτιο που με τη διαδικασία της εξωκυττάρωσης
αποβάλει τα άπεπτα συστατικά στο περιβάλλον.
Πιθανή αιτία γήρανσης: μετά την κυτταροφαγία τα δευτερογενή λυοσώματα
δεν μεταπίπτουν σε υπολειπόμενα σωμάτια. Αυτό αντικτυπά στα κυτταρα με
αξημένο χρόνο ζωής όπως τα νευρικά.
Αυτοφαγία: τα οργανίδια του κυττάρου βρίσκονται σε δυναμική ισορροπία με
συνεχή δημιουργία νέων που συννεχώς καταστρέφονται και συμβάλει στην
απαλλαγή του κυττάρου από περιττά οργανίδια, ενώ συγχρόνως το
τροφοδοτεί με δομικούς λίθους για νέες συνθέσεις.
Αυτόλυση: τα υδρολυτικά ένζυμα εκχύονται στο κυτταρόπλασμα και
επέρχεται (προγραμματισμένος) θάνατος του κυτταρου.
Εξωκυτταρική πέψη βιομορίων: σπάνια περίπτωση όπου απελευθερώνονται
υδρολυτικά ένζυμα στο περιβάλλον του κυτταρου με το φαινόμενο της
εξωκύττωσης.
Το σπερματοζωάριο πλησιάζοντας το ωάριο, το ακρόσωμα εκκρίνει
υδρολυτικά ένζυμα (υδρολάσες υαλουρονιδάση και όξινη φωσφατάση) που
πέπτουν τους διάφορους φραγμούς που περιβάλλουν το ωάριο (πχ περίβλημα)
και εμποδίζουν την είσοδο του σπερματοζωαρίου.
Λυοσώματα και ασθένειες
-
Ρευματώδης αθρίτις: δημιουργείται λόγω απελευθέρωσης ενζύμων στις
αρθρώσεις. Η αντιφλεγμονώδης δράση της κορτιζόνης-υδροκορτιζόνης
οφείλεται στην ικανότητα να σταθεροποιούν τη μεμβράνη των λυοσωμάτων
και να εμποδίζουν την απελευθέρωση ενζύμων.
35
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
Λέπρα και φυματίωση: τα μυκοβακτήριά τους διαφεύγουν την αποικοδόμιση
γιατί καθώς εισέρχονται στα λευκά αιμοσφαίρια του ξενιστή με
ενδοκυττάρωση, η σύντηξη ενδοσμάτων-λυοσυμάτων εμποδίζεται.
Μυνιγγίτιδα: το βακτήριο αυτό παράγει φωσφολιπάση που καταστρέφει την
λυοσωματική μεμβράνη και έτσι απελευθερώνεται στο κυτταρόπλασμα.
Τα χυμοτόπια είναι τα λυοσώματα των φυτικών κυττάρων.
-
-
-
-
-
Χυμοτόπια: είναι πολύ μεγάλα κυστίδια φυτικών κυττάρων που περιέχουν
υδρολυτικά ένζυμα αλλά δεν αποδομούν μόνο, αλλά είναι και αποθήκες
χρήσιμων βιομορίων, τοξικών ουσιών, ρυθμιστές της σπαργής (ωσμοτικής
πίεσης) και του όγκου του κυττάρου. Στα χυμοτόπια αποθηκεύονται για καιρό
πρωτεΐνες και όταν βλαστήσουν οι σπόροι οι πρωτεΐνες υδρολύονται και
χρησιμέυουν ως τροφή για το αναπτυσσόμενο έμβρυο. Στα χυμοτόπια
αποθηκεύονται και ανθοκυανίνες που προσδίδουν χρώμα στα πέταλλα ανθέων
για να προσελκύσουν έντομα.
Σύνοψη: Τα λυοσώματα είναι οργανίδια του κυττάρου που περιβάλλονται
από μεμβράνη και περιέχουν υδρολυτικά ένζυμα που υδρολύουν όλα τα
βιομόρια. Επίσης πέπτουν βακτήρια που εισέρχονται στο κύτταρο, με
κυτταροφαγία, τα οργανίδια με αυτοφαγία, και μακρομόρια με
ενδοκυττάρωση. Στους μονοκύτταρους οργανισμούς πέπτουν την τροφή ενώ
στους πολυκύτταρους έχουν ρόλο στην άμυνα.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. Το κυτταροπλασματικό σύστημα μεμβρανών δεν περιλαμβάνει
μιτοχόνδρια, ενώ περιλαμβάνει τα ER, σύμπλεγμα Golgi και μεταφορικά
κυστίδια.
2. Λυοσώματα: ενδοκυτταρική πέψη. Λείο ER: σύνθεη λιπιδίων,
τροποποίηση πρωτεϊνών.
3. Τα υδρολυτικά ένζυμα που περιέχονται στα λυοσώματα
απελευθερώνονται όταν το κύτταρο πεθαίνει και πέπτουν το κύτταρο.
4. Δεν πέπτονται από τα λυοσώματα τα ακόλουθα βακτήρια: γυματίωσης,
μηνιγκίτιδας. Τα Ε.Coli και βάκιλος του άνθρακα πέπτονται.
5. Τα λυοσώματα συμβάλουν στη θρέψη και άμυνα των οργανισμών, στην
ανακύκληση βιομορίων, στον προγραμματισμένο κυτταρικό θάνατο, και
στη γονιμοποίηση του ωαρίου από σπερματοζωάριο.
Ασκήσεις ανασκόπησης:
1. Διαφορές πρωτογενών-δευτερογενών λυοσωμάτων.
Πρωτογενή: αυτά που περιέχουν μόνο υδρολυτικά ένζυμα.
Δευτερογενή: αυτά που προέρχονται από σύντηξη ενός πρωτογενούς
λυοσώματος με ένα φαγόσωμα.
2. Χυμοτόπια: χρησιμεύουν στην πέψη (υδρόλυση) αλλά και αποθήκευση
βιομορίων.
Σύνοψη κεφαλαίου:
1. Κυτταροπλασματικό σύστημα, περιλαμβάνει: α) ενδοπλασματικό δίκτυο
ER, β) σύμπλεγμα Golgi, γ) λυοσώματα, δ) κυστίδια.
2. Οργανίδια: είναι όλαπαρόμοια με την πλασματική μεμβράνη.
3. Κυτταροπλασματικό σύστημα μεμβρανών: ολοκληρωμένο δίκτυο που
διαμετακινούνται υλικά με τη βοήθεια κυστιδίων.
4. Κυστίδια: σχηματίζονται σε ένα οργανίδιο και συντήκονται σε άλλο.
36
Τόμος Α
Κυτταρική βιολογία
5. ΕR: γίνεται η συνθεση πρωτεϊνών (εκκριτικές, λυοσωματικές,
ενσωματωμένες μεμβρανικές), λιπιδίων, στεροειδών ορμονών κλπ.
6. Πρωτεΐνες: μετακινούνται με τη βοήθεια κυστιδίων μεσα στο ER και
Golgi. Μετακινούμενες υφίστανται τροποποιήσεις όπως καρβοξυλίωση,
υδροξυλίωση, γλυκοζυλίωση για να καταστούν λειτουργικές. Η επιλογή
για την προώθησή τους γίνεται στην TGN περιοχή και επιτυγχάνεται με
αλληλουχίες-σήματα που φέρουν οι ίδιες.
7. Εξωκυττάρωση: έκκριση πρωτεϊνών, όπου κυστίδια γεμάτα πρωτεΐνες
συντήκονται με την πλασματική μεμβράνη με ταυτόχρονη επελευθέρωση
πρωτεϊνών.
8. Κυτταροφαγία και ενδοκυττάρωση: μηχανισμοί εισαγωγλης υλικών, τα
εισαγόμενα βιομόρια, σωματίδια ή παθογόνα είναι εγκλωβισμένα σε
κυστίδια που συντήκονται με λυοσώματα όπου και πέπτονται.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5
Εισαγωγή
-
-
-
Μελέτη οργανιδίων κυττάρου που σχετίζονται με εγκλωβισμο ή
απελευθέρωση ενέργειας. Αυτά είναι:
α) Μιτοχόνδριο: είναι αυτοαναπαργόμενο όργανο που παράγει ΑΤΡ.
β) Χλωροπλάστες: αυτοαναπαραγόμενα οργανίδια των φωτοαυτόφορων
οργανισμών που δεσμεύουν την ενέργεια του ήλιου για παραγωγή ΑΤΡ.
γ) Υπεροξειδιοσώματα: συμμετέχουν στις οξειδωτικές διαδικασίες του
μεταβολισμού.
δ) Γλυοξισώματα: ομοίως, συμμετέχουν στις οξειδωτικές διαδικασίες
Μελέτη εισόδου πρωτεϊνών στα οργανίδια αυτά.
Τα μιτοχόνδρια, οι χλωριπλάστες και τα υπεροξειδιοσώματα είναι
αυτοαναπαραγόμενα κυτταροπλασματικά οργανίδια που χαρακτηρίζονται από
έντονο μεταβολισμό.
Μιτοχόνδρια και χλωροπλάστες: τα ενεργειακά κέντρα του κυττάρου.
Θεωρούνται ημιαυτόνομα οργανίδια, διότι:
α) προέρχονται από προϋπάρχοντα οργανίδια και η διαίρεσή τους δεν
συμπίπτει με την κυτταρική διαίρεση
β) περιέχουν πλήρες σύστημα σύνθεσης πρωτεϊνών
γ) προέρχονται από το ωάριο.
Ενέργεια φυτικών οργανισμών: η ηλιακή ενέργεια δεσμεύεται στους
χλωροπλάστες των φωτοσυνθετόντων οργανισμών και μετατρέπεται σε
χημική ενέργεια που αποθηκεύεται στα βιομόρια.
Ενέργεια ζωϊκών οργανισμών: παίρνουν ενέργεια από τα βιομόρια των
φωτοσυνθετόντων (φυτικών) οργανισμών.
Ενέργεια βιομορίων: χρησιμοποιείται για σύνθεση άλλων βιομορίων,
παραγωγή μηχανικού, ηλεκτρικού και ωσμοτικού έργου.
Αερόβια αναπνοή: Η σταδιακή απελευθέρωση της αποθηκευμένης ενέργειας
επιτελείται στα μιτοχόνδρια με την αερόβια αναπνοή.
Υπεροξειδιοσώματα : γίνεται η οξείδωση ορισμένων βιομορίων και κυρίως
αποικοδομείται το Η2Ο2 που είναι τοξικό.
37
Τόμος Α
Κυτταρική βιολογία
5.1 Μιτοχόνδρια
-
-
Ενδοσυμβιωτική υπόθεση: Μιτοχόνδρια και χλωροπλάστες προήλθαν από
βακτήρια (ενδοκυττάρωση βακτηρίου) πριν 1.000.000 χρόνια, δηλ
φωτοσυνθετικό βακτήριο ενσωματώθηκε σε αρχέγονο κύτταρο και εξελίχθηκε
σε χλωροπλάστη.
Τα μιτοχόνδρια βρίσκονται στα αερόβια ευκαρυωτικά κύτταρα.
Τα ηπατικά κύτταρα του ανθρώπου περιέχουν 500-1000 μιτοχόνδρια που
αντιστοιχούν στο 25% του κυτταρικού όγκου.
Τυπικό μιτοχόνδριο έχει σωληνοειδές σχήμα με διάμετρο 0.2-1 μm και μήκος
3-10 μm και είναι ορατό με φωτονικό μικροσκόπιο. Υπάρχουν όμως και
σφαιρικά, ελικοειδή, δακτυλοειδή, αστεροειδή.
Τα μιτοχόνδρια περιβάλλονται από δυο μεμβράνες.
-
-
-
Το μιτοχόνδριο έχει εξωτερική μεμβράνη που το διαχωρίζει από το
κυτταρόπλασμα και ένα πολύπλοκο σύστημα εσωτερικών μεμβρανών. Η
εξωτερική είναι λεία και δεν έχει αναδιπλώσεις. Η εσωτερική είναι πολλαπλά
αναδιπλωμένη και σχηματίζει εγκολπώσεις (πτυχές – cristae). Η εσωτερική
μεμβράνη περιέχει πολλές πρωτεϊνες και καρδιολιπίνη (λιπίδιο) σε σχέση με
την εξωτερική. Η σύσταση της εσωτερικής μεμβράνης των μιτοχονδρίων
μοιάζει με την πλασματική μεμβράνη των βακτηρίων από όπου και
προέρχεται, ενώ η εξωτερική προέρχεται από το κυτταρικό τοίχωμα
βακτηρίων (αρνητικά κατά Gram).
Πτυχές: υπάρχουν για αύξηση της επιφάνειας της εσωτερικής μεμβράνης. Οι
πτυχές είναι περισσότερες στα μιτοχόνδρια των οργανισμών με μεγάλη
μεταβολική δραστηριότητα (πχ κύτταρα καρδιάς, μυών, νεφρών) και
λιγότερες στα φυτικά κύτταρα που χαρακτηρίζονται από χαμηλό ρυθμό
αναπνευστικής δραστηριότητας.
Πορίνες: χαρακτηριστικές διαμεμβρανικές πρωτεΐνες που σχηματίζουν
διαύλους σε σχήμα βαρελιού και περιέχονται στην εξωτερική μεμβράνη.
Σωληνίσκοι και κυστίδια: στις κατώτερες μορφές ζωής (πρωτόζωα) η
εσωτερική μεμβράνη σχηματίζει σωληνίσκους ενώ στους ανώτερους
οργανισμούς σχηματίζει επιμηκυσμένα κυστίδια.
Ενδομεμβρανικός χώρος: ο χώρος μεταξύ εσωτερικής και εξωτερικής
μεμβράνης του μιτοχονδρίου.
Εσωτερικός χώρος (αποκαλείται και μήτρα): περικλείεται από την εσωτερική
μεμβράνη. Περιέχει ένα μικρό δίκλωνο κυκλικό μόριο DNA, RNA και
ριβοσώματα προκαρυωτικού τύπου.
Τα μιτοχόνδρια βρίσκονται σε θέσεις έντονης μεταβολικής δραστηριότητας.
-
-
Τα μιτοχόνδρια άλλοτε αλλάζουν συνεχώς σχήμα και θέση και σχηματίζουν
κινούμενες αλυσίδες με τους μικροσωληνίσκους και αλλοτε παραμένουν
μόνιμες σε συγκεκριμένες κυτταρικές περιοχές όπου υπάρχει μεγάλη ανάγκη
κατανάλωσης ενέργειας.
Στα σπερματοζωάρια πολλά μιτοχόνδρια περιβάλλουν τα ινίδια του μαστιγίου
χορηγώντας την απαραίτητα ενέργεια για την κίνησή του.
Στην ανθρώπινη καρδιά το 40% του κυτταροπλάσματος των μυϊκών
κυττάρων καταλαμβάνεται από μιτοχόνδρια.
38
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
Σε κύτταρα έντονης σύνθεσης πρωτεϊνών τα μιτοχόνδρια περιβάλλονται από
ER.
Τα μιτοχόνδρια είναι το κέντρο παραγωγής ΑΤΡ.
-
Μεταβολικές διεργασίες στα μιτοχόνδρια: Οι μεταβολικές διεργασίες που
παράγουν ΑΤΡ (ένζυμο) βρίσκονται στα μιτοχόνδρια. Οι διεργασίες είναι: α)
κύκλος του Krebs, β) μεταφορά ηλεκτρονίων και γ) οξειδωτική
φωσφορυλίωση και έχουν ως αποτέλεσμα την παραγωγή ΑΤΡ και CO2 και
Η2Ο.
Ανασκόπηση των μεταβολικών διεργασιών.
-
-
Παραγωγή Ακετυλο-CοΑ, με τους ακόλουθους τρόπους:
α) λίπη και πρωτεΐνες περιέχουν γλυκόζη  μεταβολισμός γλυκόζης στο
κυτταρόπλασμα  πυροσταφιλικό οξύ (εισέρχεται στο μιτοχόνδριο) 
Ακετυλο-CοΑ.
β) λίπη  β-οξείδωση  Ακετυλο-CοΑ
γ) πρωτεΐνες και ελεύθερα αμινοξέα  τρανσαμίνωση/οξειδωτική απαμίνωση
 Ακετυλο-CοΑ
Κύκλος Krebs: είναι η μεταβολική οδός που συγκλίνουν οι κύριες
καταβολικές οδοί του κυττάρου.
Λειτουργία κύκλου Krebs: Ηλεκτρόνια από υποστρώματα  μεταφέρονται
στα NADH , FADH2.
Παραγωγή ΑΤΡ (μετά τον κύκλο Krebs) : ηλεκτρόνια  μεταφορά στο
οξυγόνο  ενέργεια  ηλεκτρομηχανική βαθμίδωση (μέσω εσωτερικής
μεμβράνης μιτοχονδρίου)  οξειδωτική φωσφορυλίωση ΑDΡ σε ΑΤΡ.
Η διαμερισματοποίηση των λειτουργιών του μιτοχονδρίου είναι απόρροια της
φυσικής διαμερισματοποίησης.
-
-
-
Το μιτοχόνδριο είναι κέντρο της ενεργειακής κατάστασης λόγω παραγωγής
ΑΤΡ μέσα σ’ αυτό.
Δομή μιτοχόνδριου :
α) Το μιτοχόνδριο έχει διαφορετικά ενζύματα (πχ ΑΤΡ για μεταφορά
ηλεκτρονίων και την οξειδωτική φωσφορυλίωση) σε κάθε του διαμέρισμα.
β) Ενζύματα μήτρας: χρησιμοποιούνται για τον κύκλο του Krebs. Στη μήτρα
βρίσκεται το DNA και τα ριβοσώματα που συνθέτουν μερικώς τις πρωτεΐνες.
γ) Ενζύματα εξωτερικής μεμβράνης: μετατρέπουν βιομόρια σε προβαθμίδες
για να μπούν στον κύκλο Krebs.
Σύνοψη: τα μιτοχόνδρια είναι οργανίδια συνιστάμενα από μια διαπερατή
εξωτερική μεμβράνη και μια επιλεκτικά διαπερατή πτυχωμένη εσωτερική
μεμβράνη. Τα μιτοχόνδρια είναι το ενεργειακό κέντρο του κυττάρου όπου
μετατρέπονται οι υδατάνθρακες.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. Τα μιτοχόνδρια μετατρέπουν σε χημική ενέργεια τα λίπη, τους
υδατάνθρακες και τις πρωτεΐνες, μέσω κύκλου Krebs.
2. Στα μιτοχόνδρια παράγεται το ΑΤΡ.
39
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
3. Τα μιτοχόνδρια συσσωρεύονται σε θέσεις του κυττάρου με έντονη
μεταβολική δραστηριότητα.
Ασκήσεις ανασκόπησης:
1. σύγκριση εσωτερικής-εξωτερικής μεμβράνης μιτοχονδρίου:
α) Η εσωτερική είναι: αδιαπέραστη, πτυχωμένη, πρεχει συστατικά για
αερόβια αναπνοή.
β) Η εξωτερική είναι: διαπερατή.
2. Η συγκέντρωση όλων των στοιχείων της αερόβιας μεταβολής στα
μιτοχόνδρια εξυπηρετεί καλύτερα τις μεταβολικές διεργασίες γιατί
απαιτούνται λιγότερα ένζυμα.
3. Η καρδιά έχει ανάγκη από ενέργεια γι’ αυτό περιέχει πολλά μιτοχόνδρια.
5.2 Χλωροπλάστες
-
Ενέργεια στους ζωϊκούς οργανισμούς: η οξείδωση των οργανικών μορίων
δίνει ενέργεια στον οργανισμό.
Ενέργεια στους φυτικούς οργανισμούς δίνεται μέσω ηλιακής ακτινοβολίας
παράγουν ΑΤΡ. Διακρίνονται σε δυο κατηγορίες:
α) φωτοετερότροφοι οργανισμοί: παίρνουν τον C από οργανικά μόρια
(αλοβακτήρια) για σύνθεση άλλων οργανικών μορίων
β) φωτοαυτόφωτοι οργανισμοί: χρησιμοποιούν το CΟ2 της ατμόσφαιρας ως
πηγή C για σύνθεση οργανικών μορίων. Περιλαμβάνουν τα φυτά, φύκη, και
φωτοσυνθετικά βακτήρια.
Χλωροπλάστες: δομή και λειτουργία.
-
-
Χλωροπλάστες: κυστίδια στα οποία γίνεται η φωτοσύνθεση για την παραγωγή
ΑΤΡ. Ως παραπροϊόν παράγεται οξυγόνο που χρησιμοποιείται ως υποδοχέας
των ηλεκτρονίων στις οξειδώσεις που γίνονται στα μιτοχόνδρια. Οι
χλωροπλάστες καλούνται και μεταποιητές λόγω ότι μετατρέπουν την ηλιακή
ενέργεια σε χημική. Έχουν σχήμα δισκοειδές ή ελλειψοειδές και κάθε κύτταρο
περιεχει 20-50. έχουν διάμετρο 2-4 μm και μήκος 5-10 μm, δηλ 50 φορές
μεγαλύτερος από μιτοχόνδριο και ίσο με αιμοσφαίριο. Κινούνται συνεχώς
μέσα στο κύτταρο.
Δομή χλωροπλάστη: περιβάλλεται από δυο μεμβράνες διαχωρισμένες με
στενό ενδομεμβρανικό χώρο. Η εξωτερική φέρει πορίνες που την κάνουν
διαπερατή στα βιομόρια. Η εσωτερική μεμβράνη φέρει πρωτεΐνες-μεταφορείς
που μετακινούν το ΑΤΡ και τα δικαρβοξυλικά οξέα. Οι χλωροπλάστες
περιλαμβάνουν και θυλακοειδείς μεμβράνες στη δομή τους που είναι σαν
σάκοι βυθισμένοι στην κοκκιώδη υδάτινη φάση του χλωροπλάστη (στρώμα)
που περιέχει δίκλωνο κυκλικό DNA, RNA και ριβοσώματα προκαρυωτικού
τύπου. Τα θυλακοειδή στιβάζονται το ένα πάνω στο άλλο και
αλληλοσυνδέονται με κανάλια.
Η φωτοσύνθεση χρησιμεύει για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών των
φωτοαυτότροφων οργανισμών.
-
Η φωτοσύνθεση είναι το αντίθετο της αναπνοής. Η αναπνοή στα μιτοχόνδρια
ανάγει το Ο σχηματίζοντας Η2Ο ενώ η φωτοσύνθεση στους χλωροπλάστες
οξειδώνει το Η2Ο σχηματίζοντας Ο. Δηλ:
α) φωτοσύνθεση (παραγωγή υδατάνθρακα):
40
Τόμος Α
Κυτταρική βιολογία

  υδατάνθρακας
hν+Η2Ο+NADP+ADP+NAHDPH+ATP-O2 
β) αερόβια αναπνοή (αποκοδόμηση υδατάνθρακα):

CO2+Η2Ο (εντός μιτοχονδρίου)
υδατανθρακας (εντός μιτοχονδρίου) 

ΝΑDΗ+ΝΑD+ΑΤΡ+Ο2
Διαδικασίες φωτοσύνθεσης:
α) Φωτοχημική: χρειάζεται ενέργεια ηλιακής ακτινοβολίας και παράγεται ΑΤΡ
(φωτοφωσφορυλίωση) και ανηγμένα συνένζυμα (φωτοαναγωγή).
β) Μη φωτοχημική (αντιδράσεις σκότους): σύνθεση υδατανθράκων και
λοιπων βιομορίων. Αρχίζει μετά τη σύνθεση του ΑΤΡ και NADPH.
Οι φωτοσυνθέτοντες οργανισμοί του πλανήτη (κυρίως το φυτοπλαγκτόν)
μετατρέπουν 600x1012 kg CO2 σε υδατάνθρακες και απελευθερώνουν
400x1012 kg O2 το χρόνο.
Χλωροφύλλη: είναι χρωστική και βασικός συντελεστής της φωτοσύνθεσης.
Είναι η μόνη άμεση σύνδεση μεταξύ φωτός και χημικων αντιδράσεων που
αφορούν την καθήλωση του C. Η χλωροφύλλη είναι το μοναδικό μόριο που
παρέχει φωτοενεργοποιημένα ηλεκτρόνια στα οργανικά μόρια ξεκινώντας
έτσι τις φωτοχημικές διεργασίες που οδηγούν στην αναγέννηση του ΑΤΡ και
του ANDPH.
Καρωτινοειδή και φυκομπιλίνες: ειναι επιπλέον χρωστικές που υπάρχουν
στους φωτοσωνθέτοντες οργανισμούς. Τα καρωτινοειδή στους φυτικούς
οργανισμούς και οι φυκομπιλίνες στα φύκη.
Φωτοσυστήματα (PS): είναι οι μεμβράνες των θυλακοειδών όπου η
χλωροφύλλη, οι άλλες χρωστικές και οι δέκτες ηλεκτρονίων οργανώνονται.
Τα φωτοσυστήματα διακρίνονται σε PS (I), PS (II):
α) PS (II): ανυψώνει την ενέργεια του ηλεκτρονίου από χαμηλότερο επίπεδο
του Η2Ο σε ενδιάμεσο. Είναι δότης ηλεκτρονίων στο PS (I).
β) PS (I): ανυψώνει την ενέργεια από αυτό το ενδιάμεσο επίπεδο σε
ενεργειακό επίπεδο υψηλότερο του NADP+. Φωσφορολύσεις:
i.
μη κυκλική φωσφορόλυση: Όταν το PS (I) ενεργοποιείται με
την απορόφηση φωτονίων, δυο ηλεκτόνια μεταφέρονται στο
NADP+
που μετατρέπεται σε NADPH και τμήμα της
ελευθερούμενης ενέργειας συντελεί στη σύνθεση ΑΤΡ.
ii.
κυκλική φωσφορόλυση: ενεργοποιημένα από το φως
ηλεκτρόνια του PS (I) μεταφέρονται διαμέσου δεκτών αλλά
αντί να καταλήξουν στο NADP+ επιστρέφουν στο PS(I). Δεν
υπάρχει φωτόλυση Η2Ο, παραγωγη Ο, NADPH.
NADPH (αναγωγικό μέσο) και ΑΤΡ (ελευθερώνει ενέργεια) είναι απαραίτητα
για την καθήλωση του CO2 και την επακόλουθη παραγωγή βιομορίων.
Σύνοψη: οι χλωροπλάστες είναι οργανίδια που περιέχουν εσωτερικό
μεμβρανικό σύστημα όπου εδράζει η φωτοσύνθεση. Φωτοσύνθεση είναι η
μεταβολική οδός και συνίσταται από δυο τύπους αντιδράσεων, ο ένας παράγει
ΑΤΡ και ο άλλος σάκχαρα.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. Οι αυτότροφοι φωτοσυνθέτονυες οργανισμοί χρησιμοποιούν CO2 από την
ατμόσφαιρα ως πηγή C και ηλιακό φως ως πηγή ενέργειας. Οι
CO2+Η2Ο (εντός χλωροπλάστη)
-
-
-
-
-
41
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
χημειοσυνθέτοντες οργανισμοί πορίζονται ενέργεια από την οξείδωση
ανόργανων μορίων.
2. Οι αντιδράσεις φωτός γίνονται στα θυλακοειδή του φυτικού κυττάρου
γιατί εκεί υπάρχουν τα κατάλληλα ένζυμα.
3. Οι αντιδράσεις σκότους γίνονται στο στρώμα του φυτικού κυττάρου γιατί
εκεί υπάρχουν τα κατάλληλα ένζυμα.
4. Στις φωτεινές αντιδράσεις σχηματίζονται ΑΤΡ και NADPH.
Ασκήσεις ανασκόπησης:
1. Ορισμός φωτοσύνθεσης: η κύρια μεταβολική οδός με την οποία ενέργεια
και C εισέρχονται στον ιστό της ζωής. Οι ζωϊκοί οργανισμοί πορίζονται C
και ενέργεια από βιομόρια που έχουν ήδη σχηματιστεί στους αυτότροφους
οργανισμούς.
2. Οι χλωροπλάστες παράγουν ΑΤΡ από τη δέσμευση της ηλιακής ενέργειας,
ενώ τα μιτοχόνδρια από την αποδόμηση βιομορίων.
3. Οι αυτότροφοι (φωτοσυνθέτοντες) οργανισμοί πορίζονται τον C και την
ενέργεια από το περιβάλλον ανώ οι ετερότροφοι ζουν από τους
αυτότροφους δηλ πορίζονται τον C και την ενέργεια από τις οργανικές
ενώσεις.
5.3 Υπεροξειδιοσώματα.
-
-
-
Υπεροξειδιοσώματα: περιβάλλονται απο μονή μεμβράνη και απαντούν στα
ζωικά και φυτικά κύτταρα. Η ασπιρίνη επίσης τα περιέχει. Προέρχονται από
προϋπάρχοντα οργανίδια (μιτοχόνδια, χλωροπλάστες) και όχι απο
εκβλαστήσεις του ΕR.
Λειτουργίες υπεροξειδιοσωμάτων:
α) Συμμετέχουν στις οξειδωτικές διαδικασίες του μεταβολισμού, και
β) Προσλαμβάνουν ώριμες λειτουργικά πρωτεΐνες από τη διαλυτή φάση του
κυττάρου με ανάλογο μηχανισμό των μιτοχονδρίων και των χλωροπλαστών.
Γλυοξυοσώματα= εξειδικευμένα υπεροξειδιοσώματα.
Τα υπεροξειδιοσώματα των ζωικών κυττάρων συμμετέχουν σε διάφορες
μεταβολικές διεργασίες.
-
Λειτουργίες υπεροξειδιοσωμάτων μεσω ενζύμων:
α) μεταβολισμός του υπεροξειδίου του υδρογόνου (Η2Ο2): αποικοδόμηση Η2Ο2
μέσω ενζύμων. Το Η2Ο2 είναι τοξικό προϊόν του μεταβολισμού που η
τοξικότητά του συνδέεται άμεσα με την παραγωγή ελεύθερων ριζών.
β) αποτοξίνωση από διάφορες τοξικές ενώσεις: τα υπεροξειδιοσώματα των
κυττάρων ήπατος και νεφρών αποτοξινώνουν τις τοξικές ουσίες αιθανόλη,
μεθανόλη, φαινόλη, φορμαλδεΰδη κλπ και τις αδρανοποιεί.
γ) οξείδωση λιπαρών οξέων: απεικοδομούν τα λιπαρά οξέα.
δ) σύνθεση πλασμαλογόνων: σημαντικά φωσφορολιπίδια στους ιστούς του
εγκεφάλου.
ε) σύνθεση στο ύπαρ της χοληστερίνης και των χολικών οξέων.
στ) σύνθεση του ενζύμου λουσιφεράση: παράγει φως στις πυγολαμπίδες.
Τα υπεροξείδια των φύλλων συμμετέχουν στην οξείδωση του γλυκολικού
οξέος και στη φωτοαναπνοή.
42
Τόμος Α
-
-
Κυτταρική βιολογία
Υπεροξειδιοσώματα, χλωροπλάστες και μιτοχόνδρια συνεργάζονται για για
τον μεταβολισμό του γλυκολικού οξέος (παραπροϊόν της φωτοσύνθεσης), ως
εξής:
α) Παραγωγή γλυκολικού οξέος (στους χλωροπλάστες)
β) μεταβολή γλυκολικού οξέος σε γλυκίνη + Ο2 + Η2Ο2 (στα
υπεροξειδιοσώματα)
γ) μετατροπή γλυκίνης σε σερίνη + CO2 (στα μιτοχόνδρια), η τελευταία
διαδικασία λέγεται φωτοαναπνοή.
Φωτοαναπνοή και μιτοχονδριακή αναπνοή διαφέρουν στο ότι η τελευταία
παράγει ΑΤΡ ενώ στη φωτοαναπνοή δεν παράγεται ΑΤΡ.
Τα γλυοξυοσώματα είναι υπεύθυνα για τη μετατροπή των λιπών σε
υδατάνθρακες.
-
-
-
Γλυοξυσώματα: βρίσκονται στις κυτολιδόνες και το ενδοσπέρμιο των φυτών
και αποταμιεύουν λίπη.
Γλυκονεογένεση: παραγωγή σακχάρων με τον κύκλο του γλυοξυλικού οξέος.
Ο κύκλος έχει ως:
α) τα τριγλυκερίδια υδρολύονται σε λιπαρά οξέα και εισέρχονται στα
γλυοξυσώματα.
β) στα γλυοξυσώματα τα λιπαρά οξέα με τη β-οξείδωση μετατρέπονται σε
ακέτυλο CoA και αυτό σε ηλεκτρικό οξύ.
γ) το ηλεκτρικό οξύ μεταφέρεται στα μιτοχόνδρια όπου μετατρέπεται σε
οξαλοξικό οξύ με τον κύκλο Krebs.
δ) το οξαλοξικό οξύ δια του φωσφοενολο-πυροσταφυλικό οξύ παράγει
σάκχαρα στο κυτταρόπλασμα.
Σύνοψη: τα υπεροξειδιοσώματα είναι αυτοαναπαραγόμενα οργανίδια που
απαντούν στα ζωικά και στα φυτικά κύτταρα και συμμετέχουν ενεργά στις
οξειδωτικές διαδικασίες του μεταβολισμού.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. Υπεροξειδιοσώματα,
μιτοχόνδρια
και
χλωροπλάστες
είναι
αυταναπαραγίμενα αλλά δεν έχουν DNA.
2. Στα υπεροξειδιοσώματα γίνεται παραγωγή Η2Ο2 και οξείδωση λιπαρών
οξέων.
3. Με την φωτοαναπνοή δεν καθηλώνεται CO2.
Ασκήσεις ανασκόπησης:
1. Φωτοαναπνοή: σειρά αντιδράσεων με αποτέλεσμα την απελευθέρωση του
καθηλωμένου CO2 από τα φυτά.
2. Υπεροξειδιοσώματα, μιτοχόνδρια και χλωροπλάστες συμμετέχουν στις
οξειδωτικές διαδικασίες του μεταβολισμού.
3. κοινές λειτουργίες υπεροξειδιοσωμάτων φυτών και ζώων: μεταβολισμός
του Η2Ο2.
Διαφορετικές λειτουργίες υπεροξειδιοσωμάτων φυτών και ζώων: σύνθεση
χοληστερίνης στο ύπαρ.
5.4 Είσοδος πρωτεϊνών στα μιτοχόνδρια, χλωροπλάστες και
υπεροξειδιοσώματα.
-
Τα ένζυμα και πρωτεΐνες (πρωτεΐνες του πυρηνα, των υπεροξειδίων,
μιτοχονδρίων και χλωροπλαστών) συνθέτονται από ελεύθερα ριβοσώματα
εντός κυττάρου.
43
Τόμος Α
Κυτταρική βιολογία
Η αναγνώριση των πρωτεϊνών από τα οργανίδια.
-
-
Μηχανισμός αναγνώρισης στόχου από νεοσυσταθείσες πρωτεΐνες στα
ελεύθερα ριβοσώματα: οι πρωτεΐνες συνθέτονται σε ελεύθερα ριβοσώματα
υπό τις εντολές του κυτταρικού πυρήνα και μεταφέρονται στον προορισμό
τους. Στο αμινοτελικό άκρο της πρωτεΐνης υπάρχει μια αλληλουχία σήματος
(πχ SKL) που είναι υπεύθυνη για τη μεταφορά της πρωτεΐνης σε κάποιο
οργανίδιο-προορισμό. Σε μερικές περιπτώσεις όμως ο οδηγός αλληλουχία δεν
αναγνωρίζει τα οργανίδια.
Οι υβριδικές/τεχνιτές πρωτεΐνες κατευθύνονται με τον ίδιο τρόπο.
Για την είσοδο πρωτεϊνών στα μιτοχόνδρια και στους χλωροπλάστες απαιτείται
ενέργεια.
-
-
-
Μιτοχόνδρια: οργανίδια που περιβάλλονται από διπλή μεμβράνη και
διαχωρίζονται σε τέσσερα διαμερίσματα.
Χλωροπλάστες: έχουν μια επιπλέον μεμβράνη (μεμβράνη θυλακοειδών) και
χωρίζονται σε 6 διαμερίσματα.
Υπάρχει μηχανισμός αναγνώρισης για να στέλνει τις πρωτεΐνες στο σωστό
διαμέρισμα.
Σημεία εισόδου πρωτεϊνών: βρίσκονται εκεί που η εσωτερική και εξωτερική
μεμβράνη των μιτοχονδρίων και των χλωροπλαστών βρίσκεται πολύ κοντά.
Μετακίνηση πρωτεϊνης εντός μεμβράνης: απαιτείται η ύπαρξη
ηλεκτροχημικού δυναμικού. Οι πρωτεΐνες δεσμεύονται από μοριακούς
συνοδούς (hsp70, hsp60, mhsp70).
Σύνοψη: τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες συνθέτουν πρωτεΐνες με
πυρηνικά γονίδια. Στη συνέχεια οι πρωτεΐνες κατευθύνονται στο οργανίδιο
στόχος. Τα υπεροξείδια δεν συνθέτουν πρωτεΐνες αλλά τις προσλαμβάνουν με
τον παραπάνω μηχανισμό από το κυτταρόπλασμα.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. Οι πρωτεϊνες που εισέρχονται στα μιτοχόνδρια, χλωροπλάστες και
υπεροξειδιοσώματα με ίδια ή και διαφορετική αλληλουχία σήματος.
2. Τα υπεροξειδιοσώματα εισάγουν πρωτεΐνες διότι δεν έχουν δικό τους
σύστημα παραγωγής πρωτεϊνών αφού δεν έχουν DNA, ριβοσώματα κλπ.
Σύνοψη κεφαλαίου:
1. Μιτοχόνδρια, χλωροπλάστες και υπεροξείδια είναι αυτοαναπαραγόμενα
οργανίδια του κυττάρου.
2. Μιτοχόνδρια, χλωροπλάστες προέρχονται από βακτήρια. Έχουν σύστημα
σύνθεσης πρωτεϊνών, δηλ μικρό δίκλωνο κυκλικό DNA, RNA,
ριβοσώματα και ένζυμα. Ορισμένες από τις πρωτεΐνες τους συνθέτονται
στα οργανίδιά τους και άλλες από πυρηνικά γονίδια.
3. Μιτοχόνδρια: είναι ενεργειακά κέντρα του κυττάρου όπου οι
υδατάνθρακες, τα λίπη και οι πρωτεΐνες μετατρέπονται σε χημική
ενέργεια.
4. Χλωροπλάστες: απαντούν στους φωτοσυνθέτοντες οργανισμούς και σε
αυτά γίνεται η φωτοσύνθεση, δηλ η μεταβολική οδός που ο C και η
ενέργεια εισέρχονται στον ιστό της ζωής.
44
Τόμος Α
Κυτταρική βιολογία
5. Τα υπεροξειδιοσώματα δεν παράγουν πρωτεΐνες αλλά προσλαμβάνουν
πρωτεΐνες από πυρηνικά γονίδια. Εκτελούν ορισμένες οξειδώτικές
διαδικασίες του μεταβολισμού.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6
Εισαγωγη
-
-
Μελέτη των στοιχείων που συγκροτούν τον κυτταροσκελετό και παίζουν ρόλο
στη δυναμική του δηλ την ικανότητά του για γρήγορες και σημαντικές
αναδιαρθρώσεις καθώς το κύτταρο αλλάζει μορφή, ή διαιρείται, ή
αποκρίνεται στο περιβάλλον.
Λέξεις κλειδιά: μικριοσωληνίσκος, μικροϊνίδιο, ενδιάμεσο ινίδιο, κινεσίνη,
ακτίνη, μυοσίνη, δυνεΐνη, τουμπουλίνη, μυϊκή συστολή, πρωτεΐνες-κινητήρες.
Ο κυτταροσκελετός είναι ζωτικής σημασίας για το κύτταρο και παιζει ρόλο
στην εξέλιξή του. Είναι υπεύθυνος για την κίνηση, πολικότητα και δομών του
κυττάρου. Αποτελείται από τα μικροσωληνίσκους, μικροινίδια και ενδιάμεσα
ινίδια που σχετίζονται με τις κινήσεις του κυττάρου.
6.1 Η οργάνωση του κυτταροσκελετού.
-
-
Κυτταροσκελετός= σκελετός του ευκαρυωτικού κυττάρου. Συγκροτείται από
δίκτυο 3 τύπων πρωτεϊνικών ινιδίων (δομικών στοιχείων):
α) μικροσωληνίσκους (microtubules),
β) μικροϊνίδια (microfilaments),
γ) ενδιάμεσα ινίδια (intermediate filaments).
Τεχνικές μελέτης κυτταροσκελετού:
α) μελέτη της δυναμικής των στοιχείων του κυτταροσκελετού
β) μελέτη της τοπογραφίας μια πρωτεΐνης.
Ο κυτταροσκελετός καθορίζει τη μορφή, την εσωτερική οργάνωση, τη μεταγωγή
και τις κινήσεις του κυττάρου.
-
Λειτουργίες ινιδίων:
α) σχηματίζουν ένα εκτεταμένο δίκτυο σ’ όλο το κυτταρόπλασμα που βοηθά
στη διατήρηση της μορφής του κυττάρου.
β) καθορίζουν τη διάταξη των οργανιδίων σε ένα κύτταρο.
γ) συνεργάζονται για την παραγωγή κυτταρικών κινήσεων με τη βοήθεια
ψευδοποδιών, μαστιγίων και βλεφαρίδων.
δ) Συμμετέχουν στην κίνηση κυτταρικών δομών και οργανιδίων. Τα
μικροινίδια είναι υπεύθυνα για τη μυϊκή συστολή στα ζώα και την
κυτταροπλασματική ροή στα ζωικά και φυτικά κύτταρα. Ακόμη τα συστήματα
ινιδίων συνεργάζονται στη διαίρεση του ζωικού κυττάρου και στην εσωτερική
οργάνωση. Οι μικροσωληνίσκοι διαιρούν και κατανέμουν τα χρωματοσώματα
ανάλογα με τη φάση της διαίρεσης και τα μικροϊνίδια διαιρούν το
κυτταρόπλασμα.
45
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
ε) Χρησιμεύουν για τη μεταγωγή σήματος από την εξωκυτταρική πλευρά στο
εσωτερικό του κυττάρου. Επίσης, μεταφέρουν μηνύματα σε γειτονικά
κύτταρα ενός ιστού διαμέσου της πλασματικής μεμβράνης.
Σύνοψη: Το κυτταρόπλασμα των ευκαρυωτικών κυττάρων υποστηρίζεται και
οργανώνεται χωροταξικά από ένα κυτταροσκελετό αποτελούμενο από
μικροσωληνίσκους, ενδιάμεσα ινίδια και μικροϊνίδια.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. Ο κυτταροσκελετός του κυττάρου αποτελείται από ενδιάμεσα ινίδια,
μικροσωληνίσκους και μικροϊνίδια.
2. Η κατανομή στο κύτταρο των ινιδίων του κυτταροσκελετού πιστοποιείται
με ανοσοεντοπισμό των πρωτεϊνών που συνιστούν τα ινίδια.
6.2 Μικροσωληνίσκοι.
-
-
Όλα τα ευκαρυωτικά κύτταρα περιέχουν μικροσωληνίσκους.
Οι βλέφαρίδες, τα μαστίγια, τα βασικά σωμάτια και τα κεντροσώματα είναι
κυτταρικά οργανίδια δομημένα κυρίως από μικροσωληνίσκους.
Μορφολογία μικροσωληνίσκων: είναι δομές αρκετά μακριές, κυλινδρικές, με
διάμετρο 24 nm. Τις περισσότερες φορές ο κύλινδρος είναι ανοιχτός και
σπανιότερα περιέχει υλικό με μεγάλη πυκνότητα ηλεκτρονίων. Το τοίχωμα
των μικροσωληνίσκων αποτελείται από 13 ινίδια στιβαγμένα σε παράλληλη
διάταξη που ονομάζονται πρωτοϊνίδια. Κάθε πρωτοϊνίδιο έχει διάμετρο 5 nm
και είναι ένα γραμμικό πολυμερές σφαιρικών πρωτεϊνικών υπομονάδων, που
ονομάζονται τουμπουλίνες.
Τουμπουλίνες: υπάρχουν δυο μορφές τουμπουλίνες, η α και η β. Συνδέονται
ισχυρά με μη ομοιοπολικούς δεσμους και συγκροτούν την υπομονάδα
αυτοσυγκρότησης, που επαναλαμβάνεται κατά μήκος του πρωτοϊνιδίου με την
ίδια διάταξη. Υπάρχουν και οι γ, δ, ε-τουμπουλίνες με άγνωστους ρόλους.
Οι λειτουργίες των μικροσωληνίσκων
-
Λειτουργίες μικροσωληνίσκων:
α) διατηρούν τη μορφή (σχήμα) των κυττάρων, πχ είναι ακτινοειδώς
διαταγμένοι από την περιπυρηνική περιοχή προς την περιφέρεια του
κυττάρου.
β) είναι υπεύθυνοι για τον ακριβοδίκαιο διαχωρισμό των χρωμοσωμάτων στη
μίτωση και στη μείωση.
γ) συμβολή τους στην κίνηση κυττάρων
δ) συμμετέχουν στη μεταφορά μορίων, κοκκίων και κυστιδίων στο κύτταρο
(πχ των κοκκίων της μελανίνης στα μελανοκύτταρα, στην αμφίδρομη κίνηση
κυστιδίων στον νευράξονα κλπ).
Η δυναμική των μικροσωληνίσκων
-
-
Η μετατροπή της μιας δομής των μικροσωληνίσκων σε κάποια άλλη δομή
δειχνει τη δυναμική φύση τους. Δηλ οι μικροσωληνίσκοι έχουν τη δυνατότητα
να σχηματίζονται και να αποδιοργανώνονται. Αυτή η διαδικασία γίνεται με
πολυμερισμό/αποπολυμερισμό λόγω μη ομοιοπολικής σύνδεσης των
ετεροδιμερών της τουμπουλίνης.
Δυναμική αστάθεια: Η δυναμική αστάθεια των μικροσωληνίσκων επιτρέπει
στα κύτταρα να αντιδρούν γρήγορα σε καταστάσεις που απαιτείται
46
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
αναδιοργάνωση του κυτταροσκελετού. Σε μια χρονική στιγμή άλλοι
μικροσωληνίσκοι αυξάνονται και ορισμένοι άλλοι συρρικνώνονται. Επίσης
άλλοι ενώ αυξάνονται μπορεί αμέσως μετά να συρικνώνονται ή και να
εξαφανίζονται τελείως και να αντικαθίστανται από καινουργιο.
Οι μικροσωληνίσκοι του μεσοφασικού κυττάρου αποπολυμερίζονται και τα
ελεύθερα μονομερή ξαναπολυμερίζονται στην πρόφαση της μίτωσης για να
σχηματίσουν τους μικροσωληνίσκους της ατράκτου.
Υδρόλυση του GTP: συντελεί στην επιμήκυνση ή συρρίκνωση των
μικροσωληνίσκων.
Η σταθερότητα των μικροσωληνίσκων ελέγχεται από ιόντα ασβεστίου και από
ειδικές πρωτεΐνες, τις MAPs.
Ο πολυμερισμός των μικροσωληνίσκων γίνεται σε συγκεκριμένες περιοχές του
κυττάρου.
-
-
-
-
Κέντρα οργάνωσης μικροσωληνίσκων (MTOC):
α) Κεντροσωμα: στα ζωικά κύτταρα σχηματίζει την άτρακτο κατά την
κυτταρική διαιρεση. Οι μικροσωληνίσκοι εκτίνονται ακτινωτά προς την
περιφέρεια του κυττάρου.
β) κέντρα οργάνωσης: σχηματίζουν την άτρακτο στα κύτταρα των φυτών.
Εκετείνονται ακτινικά.
γ) βασικά σωμάτια: συνθέτονται οι μικροσωληνίσκοι των μαστιγίων και
βλεφαρίδων.
δ) πόλοι της ατράκτου: αρχίζει η δημιουργία των μικροσωληνίσκων που
συμμετέχουν στο διαχωρισμό χρωμοσωμάτων κατά τη μιτωτική διαίρεση. Οι
πόλοι θα είναι τα κέντρα των δυο νέων κυτταρων.
ε) πολικά σωμάτια των μυκήτων.
Τα κέντρα οργάνωσης των μικροσωληνίσκων έχουν όλα τον ίδιο ρόλο στα
κύτταρα:
α) ελέγχουν τον αριθμό των μικροσωληνίσκων που σχηματίζουν.
β) ελέγχουν την πολικότητα των μικροσωληνίσκων (το – άκρο δείχνει προς το
MTOC και το + προς την περιφέρεια, που επιτυγχάνεται μέ την πρωτεΐνη γτουμπουλίνη).
γ) ελέγχουν το χρόνο και τη θέση πολυμερισμού των μικροσωληνίσκων.
Σύνοψη:
1. Μικροσωληνίσκοι: κυλινδρικές δομές που συγκροτούνται από α και β
τουμπουλίνη. Δομούν τον κυτταροσκελετό, την άτρακτο, κεντρόσωμα, τις
βλεφαρίδες και τα μαστίγια.
2. ο πολυμερισμός των μικροσωληνίσκων ελέγχεται από ιόντα Ca και τις
πρωτεΐνες MAPs.
3. Κέντρα οργάνωσης μικροσωλήνων: εκεί που γίνεται ο πολυμερισμός των
μικροσωληνίσκων.
4. Δυναμική αστάθεια: είναι η ικανότητα των μικροσωληνίσκων να
αυξάνονται ή να συρικνώνονται με πολυμερισμό και αποπολυμερισμό
αντίστοιχα.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. οι μικροσωληνίσκοι είναι πολυμερή της τουμπουλίνης.
2. οι μικροσωληνίσκοι έχουν πολικότητα, διότι η υπομονάδα της
τουμπουλίνης συγκροτείται από ετεροδιμερές της α και β τουμπουλίνης το
οποίο επαναλαμβάνεται.
47
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
3. λειτουργίες του κυττάρου που οφείλονται στους μικροσωληνίσκους:
α)διαχωρισμός χρωμοσωμάτων
β) μορφή κυττάρων,
γ) κινηση μαστιγίων.
4. οι MAPs ελέγχουν την σταθερότηατα των μικροσωληνίσκων διεγείροντας
την πυρήνωση και εμποδίζοντας την υδρόλυση.
Ασκήσεις ανασκόπισης:
1. Δυναμική αστάθεια: η αύξηση και συρρίκνωση τοπυ μικροσωληνίσκου.
2. υπάρχουν πολλά κέντρα οργάνωσης μικροσωληνίσκων λόγω της
επιτελούν διάφορες λειτουργίες ανεξάστητες μετακξύ τους.
3. λειτουργίες των μικροσωληνίσκων:
α) διατήρηση της μορφής των κυττάρων
β) κίνηση χρωμοσωμάτων
γ) κίνηση κυττάρων
δ) κίνηση οργανιδίων
4. λειτουργίες των MAPs:
α) συνδέουν μικροσωληνίσκους με άλλους
β) συντελούν στη σταθερότητα
6.3 Μικροϊνίδια
-
Τα μικροϊνίδια είναι λεπτότερα από τους μικροσωληνίσκους. Έχουν διάμετρο
7 nm και είναι πολυμερή μιας πρωτεΐνης που καλείται ακτίνη (actin).
Η μυοσίνη είναι μια άλλη ινώδης πρωτεΐνη που είναι πάντα ενωμένη με την
ακτίνη.
Λειτουργίες ινιδίων:
α) δημιουργούν μόνιμες δομές στις μικρολάχνες, ώστε να έχουν σταθερό
σχήμα.
β) δημιουργούν μόνιμες δομές στο κυτταρόπλασμα, που διασυνδέονται με τις
πρωτεΐνες της πλασματικής μεμβράνης και έτσι επηρεάζουν τη μετακίνηση, το
σχήμα των κυττάρων και την κυτταροπλασματική ροή.
γ) Δημιουργούν προσκαιρες δομές όπως ο συσταλτός δακτύλιος για διαίρεση
του κυτταροπλάσματος.
δ) Δημιουργούν διάφορες πρόσκαιρες δομές για τη μετακίνηση των κυττάρων.
Η ακτίνη: δομή και οργάνωση.
-
Τα ινίδια είναι πολυμερή της ακτίνης. Το μονομερές της ακτίνης καλείται Gακτίνη και πολυμερίζεται σε δίκλωνο ινίδιο, γνωστό ως F-ακτίνη ή
μικροϊνίδιο ακτίνης.
Το μικροϊνίδιο έχει πολικότητα.
Διαφορά μικροϊνιδίων και μικροσωληνίσκων: τα μικροϊνίδια δεν δημιουργούν
δίαυλο στη μέση.
Η ακτίνη βρίσκεται σε όλα τα ευκαρυωτικά κύτταρα και αποτελεί το 5-15%
των κυτταροπλασματικών του πρωτεϊνών.
Η δυναμική των ινιδίων της ακτίνης.
-
Η δημιουργία και αποδιοργάνωση των μικροϊνιδίων γίνεται όπως και στους
μικροσωληνίσκους.
48
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
Οριακή συγκέντρωση: όταν η συγκέντρωση των πολυμερισμένων μορίων
ακτίνης γίνει ίσος με τη συγκεντρωση των αποπολυμερισμένων. Είναι
διαφορετική για τα + και – άκρα της ακτίνης.
Αέναος σχηματισμός: το καθαρό μήκος των ινιδίων της ακτίνης παραμένει
σταθερό. Αυτό γιατί παρατηρείται αποπολυμερισμός στο – άκρο και
πολυμερισμός στο + άκρο. Δηλ τα μόρια της ακτίνης που προστίθονται στο +
άκρο του μικροϊνιδίου προχωρούν προς το – άκρο.
Η λειτουργικότητα της ακτίνης εξαρτάται από την εξειδικευμένη δέσμευση
πρωτεϊνών.
-
-
-
-
-
-
Στα ινίδια της ακτίνης δεσμεύεται ένας αρκετά μεγάλος αριθμός πρωτεϊνών
που συμμετέχει στη δομή και λειτουργία τους. Οι περισσότερες από τις
πρωτεΐνες αυτές βρίσκονται στον κυτταρικό φλοιό. Ο κυτταρικός φλοιός
παρέχει ισχύ στην κυτταρική επιφάνεια και ευθύνεται για τη μορφή του
κυττάρου και για ορισμένες κινήσεις κατά την κυτταροφαγία, την
κυτταροκίνηση κλπ.
Οι πρωτεΐνες της ακτίνης διακρίνονται σε δυο κατηγορίες:
α) πρωτεΐνες (πχ προφιλίνη και θυμοσίνη) που δεσμεύονται σε ελεύθερη
ακτίνη (μονομερή G-ακτίνη) ελέγχοντας τον πολυμερισμό/αποπολυμερισμό
της.
β) πρωτεΐνες που δεσμευονται στα μικροϊνίδια επηρεάζοντας τη
λειτουργικότητά τους.
Πρωτεΐνες που κομματιάζουν τα ινίδια: γελσολίνη που καταστρέφει το δίκτυο
των μικροϊνιδίων και βρίσκεται στην περιφέρεια του κυττάρου. Η φιλαμίνη
και η γελσολίνη είναι υπεύθυνες για τη μετάπτωση του κυτταροπλάσματος
της περιφέρειας από την κατάσταση πυκτώματος σε λύμα και αντιστρόφως.
Πρωτεΐνες που διασυνδέουν τα ινίδια: φιλαμίνη και σπεκτρίνη, προκαλούν
ένωση ινιδίων της ακτίνης με πρωτεΐνες της πλασματικής μεμβράνης.
Πρωτεΐνες που συμβάλουν στο σχηματισμό δέσμης ινιδίων: φιμπρίνη, αακτινίνη, βιλίνη, συνδέουν τα ινίδια της ακτίνης.
Πρωτεΐνες που συμβάλουν στη σταθεροποίηση των μικροϊνιδίων:
τροπομυοσίνες, που σταθεροποιούν και καθιστούν άκαμπτα τα ινίδια, και βακτινίνη που ρυθμίζει το μήκος των ινιδίων.
Πρωτεΐνες που συνδέονται με τη μεμβράνη: βινκουλίνη.
Κύριες κατηγορίες πρωτεϊνών που δεσμεύονται στα μονομερή ακτίνης και
στα μικροϊνίδια:
α) θυμοσύνη, προφυλίνη: δέσμευση μονομερών ακτίνης (G-ακτίνη)
β) φιλαμίνη: σχηματισμός δικτύου ινιδιων
γ) βινκουλίνη, σπεκτρίνη, ταλίνη, δυστροφίνη: σύνδεση με μεμβράνες
δ) βιλίνη, φιμπρίνη, α-ακτινίνη: σχηματισμός δεσμης ινιδίων
ε) cap Z, β-ακτινίνη: σταθεροποίηση με κάλυχη του άκρου
στ) τροπομυοσύνη: σταθεροποίηση ινιδίων πλευρικά
ζ) μυοσίνες: κίνηση
η) γελσολίνη: κατάτμιση.
Σύνοψη: τα ινίδια της ακτίνης ή μικροϊνίδια αποτελούνται από δίκλωνα μόρια
ακτίνης που εχουν κεντρικό ρόλο στη συστολή και στις κινήσεις που γίνονται
μέσα στο κύτταρο. Αέναος σχηματισμός είναι ο πολυμερισμός στο + άκρο του
μικροϊνιδίου και αποπολυμερισμός στο – άκρο του.
Ασκήσεις αυταξιλόγησης:
49
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
1. πρωτεΐνη δραστηριότητα ακτίνης
προφιλίνη δέσμευση με G-ακτίνη
γελσολίνη κατάτμηση μικροϊνιδίων
α-ακτίνη διασύνδεση μικροϊνιδίων σε δεσμούς
2. τα μικροϊνίδια είναι συνώνυμα με F-ακτίνη και με ινίδια ακτίνης
3. με την υδρόλυση του ΑΤΡ αλλάζει η διαμόρφωση της ακτίνης και άρα η
δυναμική του μορίου.
4. το + άκρο των ινιδίων της ακτίνης πολυμερίζεται γρηγορότερα από το –
άκρο, γιατί έχει δεσμευμένο ΑΤΡ ενώ το – άκρο ADP.
Ασκήσεις ανασκόπησης:
1. Αέναος σχηματισμός των ινιδίων της ακτίνης: η συνεχής προσθήκη Gακτίνης στο + άκρο και τον συνεχή αποπολυμερισμό G-ακτίνης από το –
άκρο των ινιδίων
2. Ρόλος του ΑΤΡ στη δυναμική των ινιδίων της ακτίνης: η προσθήκη ΑΤΡ
στο + άκρο των ινιδίων σταθεροποιεί τη δομή τους μια και μειώνει τον
ρυθμό αποπολυμερισμού τους.
3. Οι πρωτεΐνες που δεσμεύονται στα ινίδια της ακτίνης επηρεάζουν τη
λειτουργικότητά τους. Ορισμένες πρωτεΐνες σταθεροποιούν τα ινίδια της
ακτίνης, άλλες διασυνδέουν τα ινίδια της ακτίνης και άλλες τα ινίδια της
ακτίνης με την πλασματική μεμβράνη.
6.4 Ενδιάμεσα ινίδια.
-
Τα ενδιάμεσα ινίδια έχουν διάμετρο 8-10nm. Όλα έχουν κεντρική περιοχή αέλικας. Το δίκλωνο μόριο περιέχει περιοχές α-έλικας. Τα διμερή αντιδρούν με
άλλα διμερή και σχηματίζουν τετραμερή, αυτά πρωτοινίδια και τελικά τα
ινίδια.
Τα ενδιάμεσα ινίδια συμμετέχουν σε μηχανικές λειτουργίες του κυττάρου.
-
-
Τα ενδιάμεσα ινίδια συμμετέχουν στις μηχανικές λειτουργίες του κυττάρου.
Συμβάλουν στην κατανομή και διασπορά των δυνάμεων που εφαρμόζονται
τοπικά στα κύτταρα και τα διασφαλίζουν από τη θραύση.
Κατηγορίες ενδιάμεσων ινιδίων:
α) ινίδια κερατίνης: συνδέονται με τα δεσμοσώματα στα επιθυλικά κύτταρα.
β) ινίδια βιμεντίνης: στο κυτταρόπλασμα των των κυτταρων του συνδετικού
ιστού, στα μυϊκά κύτταρα και στα νευρογλοιακά κύτταρα που υποστηρίζουν
το νευρικό σύστημα.
γ) νευροϊνίδια: μαζί με μικροσωληνίσκους αποτελούν τα κύρια δομικά
στοιχεία των νευραξόνων και των δενδριτών.
δ) πυρηνικές λαμίνες: είναι ενδιάμεσα ινίδια του πυρήνα.
Πρωτεΐνες ενδιάμεσων ινιδίων: παραμενίνη και συμενίνη διασυνδέουν τα
ινίδια και σχηματίζουν δίκτυα. Ακόμη συνδέονται με τις MAPs και
διασυνδέουν τα μικροινιδια, τους μικροσωληνίσκους και τα ενδιάμεσα ινίδια.
Η δυναμική των ενδιάμεσων ινιδίων.
-
Τα ενδιάμεσα ινίδια θεωρούνται πιο σταθερές δομές από τα ινίδια της ακτίνης
και τους μικροσωληνίσκους. Επίσης αποδιοργανώνονται (φωσφορυλίωση)
50
Τόμος Α
-
-
-
Κυτταρική βιολογία
πριν την κυτταρική διαίρεση και αυτοσυγκροτούνται (φωσφορυλίωση) στα
θυγατρικά κύτταρα.
Σύνοψη: τα ενδιάμεσα ινίδια είναι δομές 10nm διαμέτρου που δομούνται από
διαφορετικές πρωτεΐνικές υπομονάδες, που έχουν την ικανότητα να
αυτοσυγκροτούνται και να αποδιοργανώνονται με φωσφορυλίωσηαποφωσφορυλίωση. Συμμετέχουν στη μηχανική σταθερότητα των κυττάρων.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. α) η υπομονάδα των μικροσωληνίσκων είναι η τουμπουλίνη, β) των
μικροϊνιδίων είναι η G φάση και γ) οι λαμαμίνες είναι κατηγορία
ενδιάμεσων ινιδίων και όχι υπομονάδα τους.
2. ενδιάμεσα ινίδια
λειτουργικότητα
κερατίνη

συνδέονται με τα δεσμοσώματα
δεσμίνη

συνδέονται με τα σαρκομερή
λαμίνη

συνδέονται με την πυρηνική μεμβράνη.
3. Οι MAPs πρωτεΐνες διασυνδέουν τα ενδιάμεσα ινίδια με μικροσώλήνες.
Ασκήσεις ανασκόπησης:
1. Βασικές δομικές διαφορές ενδιάμεσων ινιδίων και μικροσωληνίσκων: τα
ενδιάμεσα ινίδια έχουν κεντρική περιοχή α-έλικας και στα άκρα σφαιρικές
περιοχές, που δεν τα έχουν οι μικροσωληνίσκοι.
2. Η φωσφορυλίωση-αποφωσφορυλίωση συμβάλει στην αποδιοργάνωση και
αυτοσυγκρότηση των ινιδίων που γίνεται κατά την μίτωση.
6.5 Η κίνηση είναι βασική κυτταρική ιδιότητα.
-
-
Η κίνηση διακρίνεται σε κίνηση στο επίπεδο του ιστού, σε κίνηση στο
επίπεδο του κυττάρου και σε κίνηση κυτταρικών δομών. Συμμετέχουν οι
μικροσωληνίσκοι, τα μικροϊνίδια και ειδικές πρωτεΐνες.
Κίνηση σε επίπεδο ιστού: είναι η συστολή των μυών, απόροια του οποίου
είναι η κίνηση άκρων, καρδιάς κλπ. Οι σκελετικοί μύες αποτελούν το 40%
του βάρους μας και καταναλώνουν την περισσότερη ενέργεια.
Κίνηση στο επίπεδο του κυττάρου: επιτελείται με τη βοήθεια των μαστιγίων,
βλεφαρίδων, και ουρά σπερματοζωαρίου. Υπάρχουν και άλλα είδη όπως
αμοιβαδοειδής κίνηση, μετανάστευση κυττάρων κατά την εμβρυογένεση και
μετακίνηση καρκινικών κυττάρων κατά τη μετάσταση.
Κίνηση κυτταρικών δομών: όπως είναι η κίνηση χρωμοσωμάτων, η
κυτταροπλασματική ροή και κινήσεις οργανιδίων.
Συστήματα κίνησης.
-
-
Πρωτεΐνες κινητήρες: υποβοηθούν τον κυτταροσκελετό στην κίνηση των
δομών και οργανιδίων με το να δεσμέυονται στους μικροσωληνίσκους ή στα
μικροϊνίδια
και
να
χρησιμοποιούν
την
ενέργεια
από
τους
επαναλαμβανόμενους κύκλους υδρόλυσης του ΑΤΡ, για να κινούνται κατά
βήματα και μονόδρομα κατά μήκος των ινιδίων (λειτουργούν ως
μηχανοχημικοί μεταγωγείς: μετατρέποντας την αποθηκευμένη στο ΑΤΡ
χημική ενέργεια σε μηχανικό έργο).
Οικογένειες πρωτεϊνών-κινητηρων: κινεσίνη, δυνεΐνης, μυοσύνη.
Κινεσίνες: Κινουνται προς το + άκρο των μικροσωληνίσκων, δηλ προς την
περιφέρεια του κυττάρου. Το μόριό τους αποτελείται από δυο βαριές και δυο
ελαφριές αλυσίδες. Το ένα άκρο τους αλληλεπιδρά με τα φορτία που
51
Τόμος Α
-
-
-
-
-
-
Κυτταρική βιολογία
πρόκειται να μετακινηθούν. Τα φορτία τους είναι κυστίδια, ενδοσώματα,
λυοσώματα, εκκριτικά κοκκία.
Κυτταροπλασματικές δυνεΐνες: αποτελούνται από 9-10 πολυπεπτιδικές
αλυσίδες. Το μόριο περιέχει δυο σφαιρικές κεφαλές. Οι συνεΐνες συμβαλουν:
α) στην κίνηση χρωμοσωμάτων κατά την κίνηση
β) στην κίνηση προς το – άκρο των μικροσωληνίσκων, κυστιδίων,
μιτοχονδίων, λυοσωμάτων, ενδοσωμάτων.
Δυνεΐνη των βλεφαρίδων (ή αξονηματική δυνεΐνη): είναι παρόμοια με την
κυτταροπλασματική δυνεΐνη, διαφερει στον αριθμό των πολυπεπτιδικών
αλυσίδων και κεφαλών. Συμμετέχει στην κίνηση κατά μήκος
μικροσωληνίσκων.
Μυοσίνες: κινητήρες για τα ινίδια της ακτίνης. Κινούνται από – στο + άκρο
των μικροϊνιδίων. Διακρίνονται σε μυοσίνη Ι και ΙΙ.
α) Μυοσύνη ΙΙ: υπάρχει σε όλα τα κύτταρα. Αποτελείται από 6
πολυπεπτιδικές αλυσίδες, 2 βαριές και 4 ελαφρές. Οι δυο βαριές έχουν
σφαιρική κεφαλή και μια ραβδόμορφη διπλή έλικα (ουρά). Σε κάθε κεφαλή
προσαρτίζονται τα μόρια των ελεφρών αλυσίδων. Οι κεφαλές έχουν
δυνατότητα κίνησης, σημαντική κατά την παραγωγή δύναμης κατά τη
συστολή του μυός.
β) Μυοσύνη Ι: είναι μικρότερη από την μυοσίνη ΙΙ και δεν πολυμερίζεται,
παράγει όμως κίνηση.
Σύνοψη: κίνηση παρατηρείται στο επίπεδο του ιστού, του κυττάρου, και των
οργανιδίων-δομών. Ο κυτταροσκελετός υποβοηθιέται στην κίνηση από τις
πρωτεΐνες κινητήρες (κινεσίνες, δυνεΐνες, μυοσίνες). Οι κινεσίνες και δυνεΐνες
χρησιμοποιούν την υδρόλυση του ΑΤΡ για μονόδρομη δράση κατά μήκος των
μικροσωληνίσκων. Οι μυοσίνες με παρόμοιο τρόπο προκαλούν διολίσθηση
των ινιδίων της ακτίνης με αποτέλεσμα τη συστολή και χαλάρωση των μυών.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. κίνηση κυττάρου  κίνηση βλεφαρίδων και μαστιγίων
κίνηση οργανιδίων  κίνηση χρωματοσωμάτων και μιτοχονδρίων
κίνηση ιστού
 παλμοί καρδιάς.
2. πρωτεΐνες κινητήρες
μικροϊνίδια κυτταροσκελετού
δυνεΐνη και κινεσίνη 
μικροσωληνίσκοι
μυοσίνη
 μικροϊνίδια.
3. Οι κινεσίνες κινουνται από το + προς το – άκρο του μικροσωληνίσκων και
οι δυνεΐνες αντίθετα.
Ασκήσεις ανασκόπησης: Πρωτεΐνες κινητήρες, είναι οι δυνεΐνες, κινεσίνες
και μυοσίνες. Χρησιμεύουν στην κίνηση δομών και οργανιδίων του κυττάρου,
με κατανάλωση ενέργειας (υδρόλυση του ΑΤΡ).
6.6 Κίνηση βλεφαρίδων-μαστιγίων.
-
Βλεφαρίδες: είναι πολλές και μικρού μεγέθους. Στους μονοκύτταρους
ευκαρυωτικούς οργανισμούς χρησιμεύουν για την κίνηση και εύρεση τροφής,
ενώ στους πολυκύτταρους για την μετακίνηση του περιβάλλοντος υγρού και
την κίνηση των κυττάρων. Πχ οι βλεφαρίδες κινούνται στα επιθηλιακά
κύτταρα των πνευμόνων δημιουργοντας ρεύμα που διώχνει μακριά νεκρα
κύτταρα, βλένα και σκόνη. Ο καπνός του τσιγάρου εμποδίζει την κίνηση των
βλεφαρίδων και δεν γίνεται η αυτοκάθαρση των πνευμόνων.
52
Τόμος Α
-
-
Κυτταρική βιολογία
Μαστίγια: το μήκος τους είναι μεγαλύτερο από των βλεφαρίδων. Στους
μονοκύτταρους ευκαρυωτικούς οργανισμούς τα μαστίγια χρησιμεύουν για την
κίνηση τους και εύρεση τροφής, ενώ στους πολυκύτταρους για την κίνηση
εξειδικευμένων ελεύθερων κυττάρων (σπερματοζωάρια).
Διαφορά βλεφαρίδας και μαστιγίου: η διαφορά είναι στην κίνηση και το
αποτέλεσμα της κίνησης. Το μαστίγιο προωθεί το κύτταρο, ενώ η βλεφαρίδα
δημιουργεί δύναμη παράλληλη προς την κυτταρική επιφάνεια.
Οι βλεφαρίδες και τα μαστίγια έχουν την ίδια δομή.
-
Η δομή μαστιγίων και βλεφαρίδων είναι η ίδια. Αποτελούνται από 9 ζεύγη
μικροσωληνίσκων στην περιφέρεια σωλήνα και δυο στη μέση του κυλίνδρου.
Το δίκτυο των 9+2 μικροσωληνίσκων λέγεται αξόνημα.
Η κίνηση των βλεφαρίδων και των μαστιγίων βασίζεται στη δυνεΐνη και στις
συνοδές δομές των μικροσωληνίσκων.
-
-
-
-
Ο μηχανισμός μετακίνησης των βλεφαρίδων και μαστιγίων εδρεύει
αποκλειστικά στο αξόνημα όπου η αξονηματική συνεΐνη είναι απαραίτητη για
την κίνηση των μικροσωληνίσκων. Οι βραχίονες της δυεΐνης είναι υπεύθυνοι
για την ολισθηση των μικροσωληνίσκων ενώ οι διασυνδέσεις και οι ακτίνες
είναι υπεύθυνες για την κάμψη τους.
Ασθένειες λόγω ελαττωματικής συγκρότησης των βλεφαρίδων: βρογχίτιδα,
ιγμορίτιδα, ανικανότητα αναπαραγωγής.
Σύνοψη: οι βλεφαρίδες και τα μαστίγια αποτελούνται από μια δέσμη
σταθερών μικροσωληνίσκων και έχουν την ίδια βασική δομή. Η κίνησή τους
στηρίζεται στην αξονηματική δυνεΐνη και στις συνοδούς δομές των
μικροσωληνίσκων.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. Οι βλεφαρίδες χρησιμοποιούνται για την κίνηση του περιβάλλοντος υγρού
και τα μαστίγια για την κίνηση των κυττάρων.
2. Η δομή του βασικού σωματίου είναι παρόμοια με τη δομή των μαστιγίων
και των βλεφαρίδων, αφού το αξόνημα των βλεφαρίδων και των
μαστιγίων αποτελεί προέκταση του βασικού σωματίου.
3. μαστίγια και βλεφαρίδες σχετίζονται με την πρωτεΐνη κινεσίνη και όχι με
τις δυνεΐνη και μυοσίνη.
Ασκήσεις ανασκόπησης:
1. Αξόνημα: είναι δίκτυο με 9+2 μικροπυρηνίσκους των βλεφαρίδων και των
μαστιγίων, μαζί με τις συμπληρωματικές δομές.
2. Η ελαττωματική συγκρότηση των των βλεφαρίδων και μαστιγίων επιφέρει
χρόνιες παθήσεις όπως βρογχίτιδες, ιγμορίτιδες, ανικανότητα
αναπαραγωγής.
6.7 Κίνηση κυτταρικών δομών-οργανιδίων.
-
-
Οι μικροσωληνίσκοι είναι οι τροχιές στις οποίες μετακινούνται διάφορα
μεμβρανικά οργανίδια και κυστίδια του κυττάρου. Οι πρωτεΐνες κινητήρες
που χρησιμοποιούν την υδρόλυση του ΑΤΡ για την παραγωγη ενέργειας για τη
μετακίνηση είναι οι κινεσίνες και η κυτταροπλασματική δυνεΐνη.
Κινεσίνη και δυνεΐνη: συμμετέχουν στην εδραίωση, κατανομή και στη δομή
του ενδοπλασματικού δικτύου ER, στο σχηματισμό του συμπλέγματος Golgi,
53
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
στην κίνηση των λυοσωμάτων και των εκκριτικών κοκκίων, στην
εσωτερίκευση κυστιδίων της πλασματικής μεμβράνης καθώς και άλλων
κυστιδίων σε ένα ζωϊκό κύτταρο. Κυστίδια που προέρχονται από το ER ή την
πλασματική μεμβράνη μετακινούνται προς το σύμπλεγμα Golgi ή το
κεντρόσωμα με τη βοήθεια της διεΐνης. Αντίστροφα μετακινούνται με την
κινεσίνη.
Σύνοψη: Το κύτταρο διαθέτει ένα σύστημα κίνησης των δομών και
οργανιδίων του, που βασίζεται στις κινεσίνες και δυνεΐνες.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. Οι κινεσινες και δυνεΐνες χρησιμοποιούν ενέργεια για την κίνηση κατά
μήκος των μικροσωληνίσκων διαφόρων δομών και οργανιδίων. Η κίνηση
είναι απαραίτητα ειδάλλως το ER θα εστιαζόταν στο κέντρο του
κυττάρου.
2. Οι κινεσίνες κινούν κιστίδια σε αντίθετη κατεύθυνση απ’ ότι οι δυνεΐνες.
6.8 Μυΐκή συστολή.
-
-
Τύποι μυών: σκελετικός, λείος, καρδιακός.
Σκελετικοί μυες: υπεύθυνοι για τις εκούσιες κινήσεις των διαφόρων οργάνων,
όπως χεριών, ποδιών, χειλών κλπ.
Γραμμωτοί μύες: τέτοιοι είναι οι σκελετικοί και καρδιακοί μύες.
Αποτελούνται από μια δέσμη επιμηκυσμένων και παράλληλων μυϊκών ινών
(λεπτά και μακριά πολυπύρηνα κύτταρα, εξειδικευμένα στην μυϊκή συστολή).
Το μυϊκό κύτταρο αποτελείται από πολλά επιμηκυσμένα ινίδια που καλούνται
μικροϊνίδια. Κάθε μικροϊνίδιο αποτελείται από δέσμες παχιών και λεπτών
ινιδίων. Τα παχιά ινίδια συνίστανται από μυοσίνη και τα λεπτά από ακτίνη,
τροπονίνη και τροπομυοσίνη. Ανά 6 τα λεπτά ινίδια περιβάλλουν 1 παχύ
ινίδιο.
Σαρκομέρος (sarcomere): είναι η δομική μονάδα του μικροϊνιδίου. Αποτελεί
τη μονάδα συστολής του μυϊκού κυττάρου. Περιέχει τις ζωνες Α, Ι, Η, Μ και
έχει ως όριο τη ζώνη Ζ. Τα σαρκομερή ευθυγραμμίζονται με αποτέλεσμα το
μυϊκό κύτταρο να έχει μια γραμμωτή εμφάνιση. Το μήκος του σαρκομερούς
όταν ο μύς βρίσκεται σε ηρεμία είναι 2.5-3μm ενώ μικραίνει όταν ο μυς
συστέλλεται.
Το μοντέλο ολίσθησης των ινιδίων ερμηνεύει τη μυϊκή συστολή
-
-
Ολίσθηση των ινιδίων: η συστολή του μυός επιτελείται με ολίσθηση των
ινιδίων, δηλ κατά τη συστολή του μυός τα λεπτά ινίδια ολισθαίνουν κατά
τέτοιο τρόπο ώστε να αλληλοκαλύπτονται με τα παχιά ινίδια. Η διαδικασία
γίνεται χωρίς να μειώνεται το μήκος των λεπτών και παχιών ινιδίων.
Αποτέλεσμα της ολίσθησης είναι η μείωση του μήκους του σαρκομερούς και
επομένως του μυϊκού κυττάρου και του ιστού. Η μείωση αυτή έχει ως
αποτέλεσμα την κίνηση εκείνων των τμημάτων του σώματος στα οποία είναι
προσαρμοσμένοι οι μύες.
Η ολίσθηση των ινιδίων προϋποθέτει μια πηγή ενέργειας καθώς και ένα
μηχανισμό με τον οποίο συγκρατούνται τα λεπτά με τα παχιά ινίδια σε
συγκεκριμένες θέσεις, ώστε με τη συστολή να αλληλοκαλύπτονται και στην
ηρεμία του μυός να εκτείνονται ξανά. Η αλληλοσύνδεση των λεπτών και
παχιών ινιδίων γίνεται με τη δημιουργία γεφυρών μεταξύ των κεφαλών της
μυοσίνης των παχιών ινιδίων και της ακτίνης των λεπτών ινιδίων. Οι γέφυρες
54
Τόμος Α
Κυτταρική βιολογία
που δημιουργούνται κατά τη συστολή δεν είναι μόνιμες, αλλά αποσυνδέονται,
ολισθαίνουν λίγο και ξανασυνδέονται. Η ενέργεια παρέχεται από την
υδρόλυση του ΑΤΡ.
Το λείο μυϊκό κύτταρο διαφέρει στην οργάνωση από το γραμμωτό και είναι
υπεύθυνο για τις ακούσιες συστολές.
-
Το λείο μυϊκό κύτταρο διαφέρει στην οργάνωση από το γραμμωτό μυϊκό
κύτταρο στα ακόλουθα βασικά σημεία:
α) τα λεπτά και παχιά ινίδια δεν οργανώνονται σε μυοϊνίδια.
β) τα λεπτά ινίδια συνίστανται μόνο από ακτίνη και τροπομυοσύνη. Δεν
περιέχουν τροποπίνη.
γ) τα παχιά ινίδια αποτελούνται από μυοσίνη, με τη διαφορά ότι οι κεφαλές
των μορίων κατανέμονται σε όλο το μήκος του ινιδίου και όχι σε
συγκεκριμένες περιοχές όπως όπως στο γραμμωτό μυϊκό κύτταρο.
δ) σχηματίζονται γέφυρες που ενώνουν τα λεπτά με τα παχιά ινίδια, μόνο που
δεν επαναλαμβάνονται σε συγκεκριμένα διαστήματα.
ε) το λείο μυϊκό κύτταρο είναι υπεύθυνο για τις ακούσιες συστολές, όπως
συστολές στομάχου, εντέρων και αιμοφόρων αγγείων. Καθοριστικός
παράγοντας των συστολών είναι το Ca+.
Διαφορές στη ρυθμιση μεταξύ λείου και γραμμωτού μυϊκού κυττάρου.
-
-
-
-
Η συστολή λείων και γραμμωτών μυϊκών κυττάρων βασίζεται στα ιόντα Ca+,
αλλά διαφέρουν στα εξής σημεία:
α) στους γραμμωτούς μύες τα Ca+ προέρχονται από το σαρκοπλασματικό
δίκτυο. Η δράση τους στην αλληλεπίδραση ακτίνης-μυοσίνης βασίζεται στην
τροποπίνη και το όλο φαινόμενο γίνεται πολύ γρήγορα.
β) στα λεία μυϊκά κύτταρα τα ιόντα Ca+ προερχονται από το αξωτερικό
περιβάλλον του κυττάρου. Η δράση τους στηρίζεται στην καλμοντουλίνη που
συνδέεται με την κινάση που ενεργοποιεί τη μυοσίνη με αποτέλεσμα την
αλλαγή της διαμόρφωσης της και την αλληλεπίδρασή της με την ακτίνη. Το
φαινόμενο είναι αργό.
Σύνοψη: η μυϊκή συστολή εξαρτάται από την ολίσθηση των ινιδίων της
ακτίνης κατά μήκος των ινιδίων της μυοσίνης. Συμμετέχει η μυοσίνη ΙΙ ως
πρωτεϊνη-κινητήρας που χρησιμοποιεί ενέργεια από την υδρόλυση του ΑΤΡ. Η
συστολή βασίζεται στα ιοντα ασβεστίου που απελευθερώνονται από το
σαρκοπλασματικό δίκτυο.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. Ο ρόλος των Ca+ στην μυϊκή συστολή είναι να δεσμεύονται στην
προπονίνη, έτσι επιτυγχάνεται η κίνηση της τροποποιημένης και συνεπώς
η έκθεση των ινιδίων της ακτίνης στις κεφαλές της μυοσίνης.
2. Κατά την συστολή του μυός τα σαρκομέρη σμικρύνονται.
3. Τα μυοϊνίδια αποτελούνται από επαναλαμβανόμενες μονάδες λεπτών και
παχιών ινιδίων.
Ασκήσεις ανασκόπησης: Προϋποθέσεις για συστολή μυών σύμφωνα με το
μοντέλο της ολίσθησης: να υπάρχει πηγή ενέργειας και μηχανισμός να
συγκρατούνται τα λεπτά και παχιά ινίδια σε συγκεκριμένες θέσεις.
55
Τόμος Α
Κυτταρική βιολογία
6.9 Κίνηση στα μη μυϊκά κύτταρα
-
Ινίδια ακτίνης και μυοσίνης υπάρχει και στα μη μυϊκά κύτταρα. Ο μηχανισμός
κίνησης ακτίνης-μυοσίνης, όπως περιγράφηκε στο μυϊκό κύτταρο ισχύει και
στην κίνηση μη μυϊκού κύτταρου.
Συστήματα ενδοκυτταρικής κίνησης (μετέχουν η ακτίνη και μυοσίνη):
κυτταροκίνηση, κυτταροπλασματική ροή, κυτταροφαγία, μετακίνηση
ινοβλαστών, αμοιβαδοεισής κίνηση, αλληλεπίδραση με υπόστρωμα,
κυκλοφορία κυστιδίων κλπ.
Κινήσεις που βασίζονται στα ινίδια της ακτίνης και τους κινητήρες της μυοσίνης.
-
-
-
-
Τα ινίδια της ακτίνης και οι μυοσίνες Ι, ΙΙ είναι υπεύθυνα για διάφορες
κινήσεις στα μη μυϊκά κύτταρα.
Αλληλεπίδραση κυττάρου-υποστρώματος: όταν κύτταρο προσκοληθεί σε
υπόστρωμα (πχ δοχείο καλλιέργειας) τα ινίδια ακτίνης (ινίδια τάσης)
αναπτύσσονται και καταλήγουν στις εστίες προσκόλησης των κυττάρων. Τα
ινίδια τάσης είναι παρόμοια με τα μυοϊνίδια του σκελετού μυϊκού ιστού. Τα
ινίδια τάσης εκτός από ακτίνη περιέχουν μυοσίνη, τροπομυοσίνη και αακτίνη.
Κυτταρική μετακίνηση: διακρίνεται σε αμοιβαδοειδή κίνηση, κίνηση
ιονοβλάστη,.κ υτταροκίνηση, κυτταροπλασματική ροή.
Αμοιβαδοειδής κίνηση: οι αμοιβάδες κινούνται με τον σχηματισμό
προεκτάσεων προς την κατεύθυνση της κίνησης γνωστών ως ψευδοπόδια.
Καθώς η αμοιβάδα κινείται, κυτταρόπλασμα σε μορφή λύματος (υγρό)
κινείται κεντρικά προς την εμπρόσθια περιοχή (κατεύθυνση σχηματισμού
ψευτοποδίου) και επιστρέφει περιφερειακά όπου και μετατρέπεται σε
πήκτωμα. Το πήκτωμα μετατρέπεται σε λύμα στο οπίσθιο τμήμα της
αμοιβάδας, για να ακολουθήσει την ίδια πορεία. Στην όλη διαδικασία
εμπλέκονται και τα ινίδια της ακτίνης.
Κίνηση ιονοβλάστη: ο ιονοβλάστης με την προσκόληση του στο υπόστρωμα
γίνεται επίπεδος προβάλλοντας προεκτάσεις προς την κατεύθυνση κίνησης,
γνωστές ως ελασματοπόδια. Καθώς τα ελασματοπόδια εκτείνονται από το
κύτταρο άλλα αναδιπλώνονται προς τη ραχαία επιφάνεις του κυττάρου και
άλλα αποκολλώνται στο υπόστρωμα οπότε μπορεί να συρθεί το κύτταρο προς
τη θέση προσκόλλησης με αποτέλεσμα μερικές φορές να αποκόπτεται λόγω
τάσης μικρό τμήμα του οπίσθιου άκρου του. Η διαδικασία αυτή είναι
συνδεδεμένη με τη συγκρότηση ινιδίων ακτίνης από μονομερή και με τη
δέσμευση ειδικών πρωτεΐνων, δηλ παρατηρείται μια αύξηση της
συγκέντρωσης των ινιδίων της ακτίνης στην περιοχή του αλασματοποδίου,
απ’ ότι στο άλλο κυτταρόπλασμα.
Κυτταροκίνηση: το σύστημα ακτίνης-μυοσίνης ΙΙ συμμετέχει στην κυτταρική
διαίρεση, με τη δημιουργία συσταλτικού δακτυλίου που αποτελείται από
ακτίνη και μυοσίνη.
Κυτταροπλασματική ροή: σχετίζεται με την κίνηση και θρέψη του κυττάρου.
Σύνοψη: το σύστημα ακτίνης-μυοσίνης συμμετέχει σε διάφορες
ενδοκυτταρικές κινήσεις, οπως κυτταροκίνηση, κυτταροφαγία, αμοιβαδοειδή
κίνηση, κυτταροπλασματική ροή κλπ.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. Στην κυτταροκίνηση και αμοιβαδοειδή κίνηση συμμετέχει το σύστημα
ακτίνης-μυοσίνης ενώ στην κίνηση χρωμοσωμάτων οι μικροσωληνισκοι.
56
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
2. Η κυτταροφαγία (εγκόλπωση της πλασματικής μεμβράνης) βασίζεται στον
μηχανισμό κίνησης του συστήματος ακτίνης-μυοσίνης.
Ασκήσεις ανασκόπησης: διαφορά κυτταροπλασματικής ροής και
κυτταροκίνησης: η πρώτη είναι μια κυκλική ροή του κυτταροπλάσματος και η
δεύτερη δεύτερη είναι κινήσεις σχετιζόμενες με κυτταρική διαίρεση.
Σύνοψη κεφαλαίου:
1. Κυτταροσκελετός: συγκροτείται από μικροσωληνίσκους, μικροϊνίδια
(ινίδια ακτίνης), και ενδιάμεσα ινίδια.
2. Μικροσώληνίσκοι: σωληνοειδείς σχηματισμοί και κενοί στο εσωτερικό.
Αποτελούνται από τουμπουλκίνη , εμφανίζουν πολικότητα ακι το
φαινόμενο της δυναμικής αστάθειας. Η πυρήνωση των μικροσωληνίσκων
και η αύξησή τους γίνεται σε κέντρα οργάνωσης όπως το κεντρόσωμα.
3. Ινίδια της ακτίνης: είναι πολυμερή και εμφανίζουν πολικότητα , όπως οι
μικροσωληνίσκοι και ο πολυμερισμός/αποπολυμερισμός ελέγχεται από
την υδρόλυση του δεσμευμένου ΑΤΡ. Η λειτουργικότητα των ινιδίων της
ακτίνης εξαρτάται απο τις πρωτεΐνες που δεσμεύονται στα ινίδια.
4. Ενδιάμεσα ινίδια: προσφέρουν μηχανική ισχύ. Υποκείμενα της πυρηνικής
μεμβράνης σχηματίζουν το πυρηνικό έλασμα.
5. Κυτταροσκελετός: είναι υπεύθυνος για τις κινήσεις που παρατηρούνται
στο επίπεδο του ιστού, του κυττάρου και των οργανιδίων. Υποβοηθείται
στο έργο του από τις πρωτεΐνες κινητήρες (κινεσίνες, δυνεΐνες, μυοσίνες).
6. Κινεσίνες-δυνεΐνες: χρησιμοποιούν της ενέργεια υδρολύσεως του ΑΤΡ Για
τη μονόδρομη κίνηση κατά μήκος των μικροσωληνίσκων, των κυστιδίων
κλπ.
7. Μυοσίνες: προκαλούν την ολίσθηση των ινιδίων της ακτίνης μεταξύ τους,
με αποτέλεσμα τη συστολή και χαλάρωση των μυών.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7
Εισαγωγή.
-
-
Εστιάζουμε την προσοχή μας στον πυρήνα του κυττάρου που περιέχει
γενετικό υλικό (χρωματοσώματα).
Η κληρονομικότητα εδράζει σε σχηματισμούς μέσα στον πυρήνα , τα
χρωματοσώματα. Τα χρωματοσώματα κατανέμονται στα θυγατρικά κύτταρα
με ένα ακριβοδίκαιο τρόπο, τη μίτωση.
Ο πυρήνας περιέχει το γεννρτικό υλικό, που μεταβιβάζεται στους απογόνους,
εκφράζεται εκλεκτικά και είναι υπεύθυνο για τις δραστηριότητες του
κυττάρου. Ο μεσοφασικός πυρήνας διαχωρίζεται από το κυτταρόπλασμα με
μια διπλή πυρηνική μεμβράνη και περιέχει πυρηνικό σκελετό (nuclear matrix),
πυρηνίσκους (nucleoli) και πυρηνόπλασμα (nucleoplasm) στο οποίο είναι
διαλυμένα διάφορα προϊόντα του ενδιάμεσου μεταβολισμού, νουκλεοτίδια,
ιόντα κλπ.
Δομή του πυρήνα (από έξω προς τα μέσα): Πυρηνικοί πόροι, πυρηνική
μεμβράνη, ενδομεμβρανικός χώρος (συνδέεται εμ το αδρό ER), σύμπλεγμα
πυρηνικού χώρου, πυρηνικό έλασμα, χρωματίνη, πυρηνόπλασμα και
πυρηνίσκος.
57
Τόμος Α
Κυτταρική βιολογία
7.1 Η δομή του πυρήνα.
-
Ο μεσοφασικός πυρήνας έχει συνήθως σχήμα ωοειδές ή σφαιρικό. Το μέγεθος
του πυρήνα εξαρτάται από την περιεκτικότητά του σε DNA.
Ο πυρήνας περιβάλλεται από μια διπλή μεμβράνη.
-
-
-
Πυρηνική μεμβράνη: διαχωρίζει πυρήνα και κυτταρόπλασμα και είναι διπλή.
Στοιχεία που συγκροτούν την πυρηνική μεμβράνη:
α) το ζευγάρι των μεμβρανών,
β) ο ενδομεμβρανικός χώρος (perinuclear space).
γ) οι πόροι
δ) το πυρηνικό έλασμα (nuclear lamina), που είναι δίκτυο πρωτεϊνών.
Ενδομεμβρανικός χώρος: η περιφέρειά του είναι 20-40 nm. Είναι γεμάτος
υγρό και συνεχόμενος με το ER και το σύμπλεγμα Golgi.
Εξωτερική μεμβράνη: είναι εξωτερικά γεμάτη με ριβοσώματα, όπως ακριβώς
και το αδρό ER με το οποίο είναι συνεχόμενη. Οι πρωτεϊνες που συνθέτονται
στα ριβοσώματα αυτά μεταφέρονται κατόπιν στον ενδοπυρηνικό χώρο. Η
εξωτερική πυρηνική μεμβράνη συνδέεται με ένα δίκτυο ενδιάμεσων ινιδίων
και δημιουργείται έτσι ένας πυρηνικός εξωσκελετός που διατηρεί τη θέση και
τη μορφολογία του πυρήνα στο κυτταρόπλασμα.
Λαμίνες (lamins): είναι ένα δίκτυο πρωτεϊνών που συναποτελεί το πυρηνικό
έλασμα, το οποίο σταθεροποιεί και συνδέει την εσωτερική πυρηνική
μεμβράνη με τη χρωματίνη.
Πυρινικοί πόροι: δίαυλοι πυρηνοκυτταροπλασματικής επικοινωνίας
-
-
-
-
Μηχανισμός ροής πληροφορίας διαμέσου της πυρηνικής μεμβράνης: το DNA
αντιγράφεται αλλά και μεταγράφεται σε RNA στον πυρήνα και στη συνέχεια
βγαίνει στο κυτταρόπλασμα όπου γίνεται πρωτεϊνοσύνθεση. Η αντιγραφή του
DNA κατά τη μετάφρασή του σε RNA χρειάζονται τα κατάλληλα ένζυμα που
παράγονται στο κύτταρο, και διαμετακινούνται διαμέσου των πυρινικών
πόρων αμφίδρομα.
Δημιουργία πυρηνικών πόρων: δημιουργούνται με σύντηξη εσωτερικής και
εξωτερικής πυρηνικής μεμβράνης. Έχουν διάμετρο 60-90nm.
Σύμπλεγμα πυρηνικού πόρου: Οι πυρηνικοί πόροι δεν είναι δίαυλοι ελεύθερης
επικοινωνίας αλλά διαθέτουν σύμπλεγμα πρωτεϊνικής φύσης, το σύμπλεγμα
του πυρηνικού πόρου. Συγκροτείται από 100 και άνω πολυπεπτιδικές αλυσίδες
που σχηματίζουν καλάθι του μπάσκετ. Για την επιλεκτική διαμετακόμιση των
μακρομορίων στον πυρήνα οι πρωτεΐνες αυτές πρέπει να έχουν μια
συγκεκριμένη αλληλουχία που δρα ως πυρηνικό σήμα τοποθέτησης (NLS).
πυρηνικό σήμα τοποθέτησης (NLS): αρχικά η πρωτεΐνη αναγνωρίζεται και
δεσμεύεται στον κυτταρικοπλασματικό υποδοχέα, γνωστό ως ιμπορτίνη. Η
κίνηση του συμπλόκου διαμέου του πόρου απαιτεί την υδρόλυση του ΑΤΡ που
αλλάζει τη διαμόρφωση του μεταφορέα του πόρου και διευκολύνει τη
διαμετακίνηση.
Ιμπορτίνη= υποδοχέας.
Ο πυρηνικός σκελετός.
58
Τόμος Α
-
-
-
-
Κυτταρική βιολογία
Πυρηνικός σκελετός: δομή που κρατά τον πυρήνα σε σταθερή μορφή αλλά
και ως ικρίωμα (σκαλωσιά) που οργανώνεται η χρωματίνη και τα στοιχεία της
κυτταρικής μηχανής που συμμετέχουν στις διάφορες δραστηριότητες του
πυρήνα, όπως αντιγραφή DNA, μεταγραφή και ωρίμανση RNA.
Σύνοψη: ο πυρηνας περιβάλεται από διπλή μεμβράνη. Η εξωτερική μεμβράνη
συνδέεται με δίκτυο ινιδίων που σταθεροποιεί τη μορφολογία και τη θέση του
πυρήνα στο κύτταρο. Η εσωτερική εμμβράνη συνδέεται με λαμίνες που
συνδέονται και με τη χρωματίνη. Η μεμβράνη διαθέτει πυρηνικους πόρους.
Στον δίαυλο των πόρων υπάρχει υπάρχει ένα σύμπλοκο πρωτεϊνών που
μεσολαβεί στη διαμετακίνηση των μακρομορίων.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. Η πυρηνική μεμβράνη αποτελείται από :
α) το ζευγάρι των μεμβρανών
β) τον ενδομεμβρανικό χώρο
γ) τους πόρους
2. Οι δυο πυρηνικές μεμβράνες συντήκονται στους πόρους. Δεν
παρεμβάλεται τίποτα μεταξύ τους. Το πυρηνικό έλασμα συνδέει την
εσωτερική πυρηνική μεμβράνη με τη χρωματίνη.
3. μέσα από τους πυρηνικούς πόρους περνούν νουκλεϊκά οξέα και πρωτεΐνες.
4. Για να διαπεράσει μια πρωτεΐνη τον πυρηνικό πόρο, πρέπει πρώτα να
αναγνωριστεί από συστατικό του πόρου.
5. Οι λαμίνες αποτελούν συστατικό του πυρηνικού ελάσματος.
Ασκήσεις ανασκόπησης:
1. Συστατικά που δομούν την πυρηνική μεμβράνη: το ζευγάρι των
μεμβρανών, ο ενδομεμβρανικός χώρος και οι ποροι.
2. Οι πρωτεΐνες χρειάζεται να εισέρχονται στο πυρήνα για την μεταγραφή
του DNA όπου απαιτούνται ένζυμα, αλλά και για τη δόμηση της
χρωματίνης (ιστόνες) και του πυρηνικού σκελετού.
3. Τεχνική διαπίστωσης πρωτεΐνης στον πυρήνα: με αυτοραδιογραφία,
σημαίνοντας την πυρηνική πρωτεΐνη με ραδιενέργεια.
7.2 Χρωματοσώματα: μορφολογικά και λειτουργικά
χαρακτηριστικά.
-
Τα χρωματοσώματα χρησιμεύουν για να διατηρούν και να αντιγράφουν τη
γενετική πληροφορία που περιέχεται στο DNA. Επίσης μεταφέρουν τη
γεννετική πληροφορία στα θυγατρικά κύτταρα.
Χρωματίνη-χρωματοσώματα: εναλλακτικές δομές του ίδιου του υλικού.
-
Ο κυτταρικός κύκλος χωρίζεται στη μεσόφαση και στη μίτωση.
Μεσόφαση: το γεννετικό υλικό βρίσκεται με τη μορφή ινιδίων και ονομάζεται
χρωματίνη.
Μίτωση: το ακανόνιστο δίκτυο της χρωματίνης οργανώνεται σε
χαρακτηριστικούς σχηματισμούς που λέγονται χρωματοσώματα.
Αδελφές χρωματίδες: το διπλασισμένο χρωματόσωμα. Συγκρατούνται μεταξύ
τους σε μια περιοχή που λέγεται κεντρομερίδιο.
Η μετάπτωση του εκτεταμένου δικτύου της χρωματίνης σε χρωματόσωμα
γίνεται με τη συσπείρωση των ινιδίων της χρωματίνης. Τα χρωματοσώματα
κατα το τελευταίο στάδιο της μίτωσης (την τελόφαση) αποσυσπειρώνονται
και δίνουν πάλι το εκτεταμένο δίκτυο της χρωματίνης, κοκ.
59
Τόμος Α
Κυτταρική βιολογία
Ετεροχρωματινη- ευχρωματίνη: δυο διαφορετικές καταστάσεις της χρωματίνης.
-
-
Ετεροχρωματίνη: Η αποσυσπείρωση των χρωματοσωμάτων κατά την
κατασταση μίτωσης προς μεσόφαση δεν είναι ολοκληρωτική, διότι ορισμένα
τμήματα δεν αποσυσπειρώνονται. Τα τμήματα αυτά λέγονται ετεροχρωματίνη
(heterochromatin). Η ετεροχρωματίνη είναι ανενεργός, περιέχει κυρίως
ενδιάμεσο και ταχυσυνδεομενο DNA και αντιγράφεται στο τέλος της S
φάσης. Διακρίνεται σε θεμελιώση (constitutive) και περιστασιακή (faluctive).
Ευχρωματίνη: τα τμήματα του χρωματοσώματος που συσπειρώνονταιαποσυσπειρώνονται κατά την μίτωση. Αντιγράφεται σε όλη τη διάρκεια της S
φάσης του κυττάρου.
Από κύτταρο σε κύτταρο του οργανισμού, το ποσό της ευχρωματίνης και
ετεροχρωματίνης μεταβάλεται. Όσο πιο ενεργό το κύτταρο στη σύνθεη
πρωτεϊνών, τόσο πιο λίγη ετεροχρωματίνη παρουσιάζεται.
Κατά την ανάπτυξη και διαφοροποίηση του κυττάρου όλο και περισσότερα
γονίδια μεταπίπτουν στη συσπειρωμένη ανενεργή μορφή.
Επίδραση θέσης (position effect): όταν ευχρωματικά τμήματα του DNA με
ενεργά γονίδια βρεθούν δίπλα σε ετεροχρωματικές περιοχές και καταστούν
ανενεργά.
Η θέση του γονιδίου στο χρωματόσωμα είναι καθοριστική για τη
λειτουργικότητά του.
Τα χαρακτηριστικά των μιτωτικών χρωματοσωμάτων.
-
-
-
-
Ο αριθμός των χρωματοσωμάτων ποικίλει από είδος σε είδος. Πχ στο
σκουλίκι έχει 2 χρωματοσώματα, τα βατράχια 200, οι φτέρες 1000, τα
περισσότερο όμως είδη 10-50. Ο άνθρωπος έχει 46, αλλά και άλλα είδη έχουν
και αυτά 46. Καθοριστικός παράγοντας που κάνει μοναδικό κάθε είδος δεν
ειναι ο αριθμός των χρωμοσωμάτων αλλά το πληροφοριακό περιεχόμενο των
γονιδίων.
Ασθένειες λόγω ανωμαλίας χρωμοσωμάτων:
α) σύνδρομο Down: τρισωμία του 21ου χρωματοσώματος.
β) σύνδρομο Turner: έχει μόνο ένα Χ χρωματόσωμα
γ) σύνδρομο Klinefelter: έχει καρυότυπο ΧΧY.
Χρωματοσώματα που κατά την μίτωση το κεντρομερίδιο βρίσκεται στο μέσο
του μήκους του ονομάζονται μετακεντρικά (metacentric), όταν βρίσκεται σε
άλλη θέση υπομετακεντρικά (submetacentric) και όταν βρίσκεται στο άκρο
τελοκεντρικά ή ακροκεντρικά (telocentric).
Ομόλογα χρωματοσώματα: έχουν την ίδια μορφολογία και περιέχουν γονίδια
που ελέγχουν τους ίδιους χαρακτήρες. Το ένα προερχεται από τη μητέρα και
το άλλο από τον πατέρα και συνάπτονται κατά τη διάρκεια της μείωσης.
Καρυότυπο: είναι το σύνολο των χαρακτηριστικών (αριθμός, σχήμα, μέγεθος)
του χρωμοσώματος.
Ανωμαλίες καρυότυπου: αναστροφές, μετατοπίσεις, ελλείψεις και
διπλασιασμοί.
Χρωματόσωμα Φιλαδέλφεια: είναι το 22ο του ανθρώπου που τμήμα του εχει
μετατοπιστεί στο 9ο. Απαντά μόνο στα καρκινικά κύτταρα.
Η κυτταρική δραστηριότητα είναι πολύ ευαίσθητη στην αλλαγή του αριθμού
των αντιγράφων των γονιδίων.
60
Τόμος Α
-
-
-
Κυτταρική βιολογία
Σύνοψη: το γεννετικό υλικο κατά τη μεσόφαση είναι σε μορφή εκτεταμένων
ινιδίων (χρωματίνη). Στη μίτωση τα ινίδια της χρωματίνης συγκεντρώνονται
σε χαρακτηριστικούς σχηματισμούς, τα χρωματοσώματα. η χρωματίνη
διακρίνεται σε ετεροχρωματίνη (ανενεργός) και ευχρωματίνη (ενεργός). Τα
μιτωτικά χρωματοσώματα έχουν χαρακτηριστική μορφολογία (καρυότυπος).
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. Τα χρωματοσώματα χρησιμεύουν για να διατηρούν και να αντιγράφουν τη
γενετική πληροφορία του DNA.
2. Η χρωματίνη διαφέρει από το χρωματόσωμα στη μορφή
3. Το γεννετικό υλικό βρίσκεται με τη μορφή της χρωματίνης στο στάδιο
μεσόφαση του κυτταρικού κύκλου και με τη μορφή χρωματοσωμάτων στο
στάδιο μίτωση.
4. Κάθε είδοα οργανισμού μπορεί να έχει και ίδιο αριθμό χρωματοσωμάτων.
Ασκήσεις ανασκόπησης:
1. Ομόλογα χρωματοσώματα: τα χρωματοσώματα με την ίδια μορφολογία
που ζευγαρωνουν με τη μίτωση. Φέρουν γονίδια που ελεγχουν τους ίδιους
χαρακτήρες. Το ένα προέρχεται από τη μητέρα και το άλλο από τον
πατέρα.
2. Ο αριθμός χρωματοσωμάτων δεν σχετίζεται με τις ιδιότητες που φέρουν
τα γονίδιά τους, οπότε δυο διαφορετικα είδη οργανισμών μπορεί να
φέρουν ίδιο αριθμό χρωματοσωμάτων.
3. Χρωματίνη: είναι γενετικό υλικό με τη μορφή ινιδίων κατά τη μεσόφαση.
Χρωματίδες: μέλη του μιτωτικού χρωματοσώματος που συνδέονται με το
κεντρομερίδιο. Αντιπροσωπεύουν το διπλασισμένο κατά τη μεσόφαση
χρωματόσωμα.
4. Με διαφορετικές ανακατατάξεις και μετακινήσεις ευρυχρωματινικά
τμήματα με ενεργά γονίδια μπορούν να ενσωματωθούν ή να βρεθούν
κοντά σε ετεροχρωματικές περιοχές, οπότε καθίστανται ανενεργά.
7.3 Χρωματοσώματα: μοριακή οργάνωση.
-
Χρωματοσώματα: αποτελούνται από DNA και πρωτεΐνες. Το ίδιο και οι
χρωματινες.
Το DNA είναι το γενετικό υλικό.
-
Νουκλεΐνη=DNA
Γονιδίωμα: το DNA της απλοειδούς σειράς των χρωματοσωμάτων.
-
Γονιδίωμα: είναι μια πλήρης σειρά όλης της γενετικής πληροφορίας ενός ιού ή
ενός κυττάρου.
Γονιδίωμα ιών και προκαρυωτικών κυττάρων: το γονιδίωμά τους αποτελείται
από ένα μόριο ή μικρό αριθμό μορίων DNA.
Γονιδίωμα ευκαρυωτικών: περιέχουν το γονιδίωμα του πυρήνα, το γονιδίωμα
των μιτοχονδρίων και χλωροπλαστών. Στα ευκαρυωτικά με τον όρο γονιδίωμα
εννοούμε το DNA της απλοειδούς σειρά των χρωματοσωμάτων.
Διπλοειδή
κύτταρα
(ευκαρυωτικά
μόνο):
κάθε
χρωματοσωμα
αντιπροσωπεύεται δυο φορές. Απλοειδή: είναι μόνο τα ώριμα γεννητικά
κύτταρα.
61
Τόμος Α
-
-
Κυτταρική βιολογία
Το μέγεθος ενός γονιδιώματος εκφράζεται συνήθως με τον αριθμό των
ζευγαριών νουκλεοτίων (bp) και διαφέρει από οργανισμό σε οργανισμό. Πχ οι
ιοί έχουν το μικρότερο γονιδίωμα (μήκους: 103bp=2μm έως 1011bp=34m και
λίγες πρωτεΐνες), ακολουθούν τα βακτήρια (χιλιάδες πρωτεΐνες) και μετά τα
ευκαρυωτικά κυτταρα (εκατομμύρια πρωτεΐνες).
Διαφορές DNA ευκαρυωτικών και προκαρυωτικών:
α)στα ευκαρυωτικά οι αλληλουχίες βάσεων επαναλαμβάνονται χιλιάδες φορες
στο
γονιδίωμα
(πολύ
επαναλαμβανόμενο
DNA),
άλλες
που
επαναλαμβάνονται λιγότερο (ενδιάμεσα επαναλαμβανόμενο DNA) και άλλες
που δεν επαναλαμβάνονται (μοναδικό DNA). Στο τελευταίο υπάρχουν και
αλληλουχίες που κωδικοποιούν το σύνολο σχεδόν των πρωτεϊνών.
β) τα ευκαρυωτικά έχουν αναδιατάξεις στο DNA τους, όπως μεταθέσιμες
αλληλουχίες, ενθέσεις, εκλεκτική επέκταση και ελλειψεις.
Πρωτεΐνες συμβάλλουν στη συγκρότηση και στη λειτουργικότητα των
χρωματοσωμάτων.
-
-
-
Στο DNA δεσμεύονται πολλές πρωτεΐνες που συμμετέχουν στην οργάνωση,
στην αντιγραφή του DNA και στον έλεγχο της μεταγραφής του.
Κάθε τύπος κυτταρου έχει τις δικές του ρυθμιστικές πρωτεΐνες που δρώντας
σε συνδιασμό επάγουν την έκφραση των γονιδίων. Οι πρωτεΐνες διακρίνονται
σε ιστόνες και μη ιστόνες χρωματοσωματικές πρωτεΐνες.
Ιστόνες: έχουν μικρό μοριακό βάρος (10-10 KDa), πλούσιες σε αργινίνη και
λυσίνη (αμινοξέα). Ενώνονται ισχυρά με DNA και σχηματίζουν τα
νουκλεοπρωτεϊνικά ινίδια. Αποτελούν το κυριαρχο συστατικό της πρωτεΐνης.
Πρωταμίνες: πολυπεπτίδια πλούσια σε αργινίνη, περιέχεται στην χρωματίνη
μόνο των σπερματοζωαρίων, ασπόνδυλων, ψαριών και μερικών πτηνών.
Τύποι ιστονών: είναι οι Η1, Η2Α, Η2Β, Η3, Η4.
α) ιστόνη Η1: πλούσια σε λυσίνη, παρουσιάζει ετερογένεια. Αποχωρίζεται
εύκολα τη χρωματίνη.
β) ιστόνες Η2Α, Η2Β: πλούσιες σε λυσίνη, πιο συντηρημένες από την Η1
γ) ιστόνες Η3, Η4: πλούσιες σε αργινίνη, πολύ πιο συντηρημένα μόρια
(αλλάξανε ελάχιστα στα τελευταία 109 χρόνια και έχει σημασία).
Οι ιστόνες υφίστανται ακετυλίωση, μεθυλίωση, φωσφορυλίωση.
α) ακετυλίωση: σχετίζεται με τη συγκρότηση των νουκλεοσωμάτων και την
ενεργότητα των γονιδίων
β) μεθυλίωση των Η1, Η2Β, Η3, Η4: σχετίζεται με την αντιγραφή του DNA
γ) φωσφορυλίωση: σχετίζεται με τον κυτταρικό κύκλο και την αύξηση.
Μη ιστόνες χρωματοσωματικές πρωτεΐνες: βρίσκονται στην χρωματίνη μαζί
με τις ιστόνες, σε SDS-ηλεκτροφόρηση διακρίνονται σε περίπου 100
διαφορετικά πολυπεπτίδια. Εμπίπτουν στις ακόλουθες κατηγορίες:
α) σε πρωτεΐνες που ρυθμίζουν την ενεργότητα των γονιδίων
β) στα ένζυμα και παράγοντες που συμμετέχουν στην αντιγραφή, μεταγραφή,
ανασυνδιασμό και επιδιόρθωση του DNA
γ) στις πρωτεΐνες που συμμετέχουν στη συγκρότηση των συμπλόκων της
μεταγραφής
δ) στις πρωτεΐνες που συμμετέχουν στη διατήρηση της δομής των
χρωματοσωμάτων ή στη μετάπτωση της χρωματίνης από την ενεργό στην
ανενεργό κατάσταση.
62
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
Οι πρωτεΐνες δεσμεύονται στο DNA σε ειδικές θέσεις (στην εξωτερική
πλευρά της έλικας του DNA) που εξαρτώνται από την αλληλουχία των
βάσεων και δεν παραμποδίζουν καθόλου το ζευγάρωμα των βάσεων.
Νουκλεόσωμα: το πρώτο επίπεδο οργάνωσης χρωματοσώματος.
-
-
-
-
Διαστάσεις του DNA: Ένα ανθρώπινο κύτταρο περιέχει 6-109bp του DNA
που κατανεμονται σε 46 χρωμοσώματα. Επειδή κάθε ζευγάρι βάσεων
καταλαμβάνει περίπου 0.34nm μήκος, συνεπάγεται ότι τα 6-109bp του DNA
αντιστοιχούν σε μήκος 2 m. Επιπλέον το DNA δεσμευει πολύ νερό που
αυξάνει τον όγκο του. Το DNA χωρά στον κυτταρικό πυρήνα (διαμέτρου
10μm) με συσπείρωση. Η συσπείρωση δεν έχει επιπτώσεις στην λειτουργία
του.
Νουκλεόσωμα: είναι το πρώτο επίπεδο οργάνωσης της χρωματίνης.
Πυρήνας νουκλεοσώματος: είναι η σταθερή δομή του νουκλεοσώματος που
παραμένει μετά από την παρατεταμένη πέψη με νουκλεάσες. Έχει δισκοειδή
μορφή διαμέτρου 11nm. Αποτελείται από 146 ζευγάρια βασεων DNA και ένα
οκταμερές ιστονών, που συγκροτείται από δυο μόρια των Η2Α, Η2Β, Η3, Η4
και περιτυλίγεται από το DNA (η Η1 σταθεροποιεί τo DNA στο σημείο
εισόδου-εξόδου από τον πυρήνα του νουκλεοσώματος).
Χρωματίνη: αποτελείται από το συνδετικό DNA και τα νουκλεοσώματά του.
Τα νουκλεοσώματα επαναλαμβανονται κατά διαστήματα περίπου 200bp. Δηλ
ένα γονίδιο 10.000 bp απαρτίζεται από 50 νουκλεοσώματα και το γονιδίωμα
του ανθρώπου (6x109 bp) συνίσταται από 3x107 νουκλεοσώματα, δηλ πολλά
εκατομμύρια ιστόνων. Τα κύτταρα που διαιρούνται γρήγορα έχουν πολλά
εκατομύρια ιστόνων να καλύψουν τις ανάγκες τους.
Μη ιστόνες πρωτεΐνες: εξουδετερώνουν τις ισχυρές ηλεκτροστατικές
αλληλεπιδράσεις μεταξύ των βασικών ιστονών και του όξινου DNA.
Ανώτερα επίπεδα οργάνωσης του χρωματοσώματος.
-
-
Για να συγκροτηθεί το χρωματόσωμα από το επίπεδο του νουκλεοσώματος
πρέπει να περεμβληθούν και άλλα επίπεδα οργάνωσης του γενετικού υλικού.
Τα επίπεδα αυτά είναι:
α) DNA(2nm).
β) νουκλεόσωμα (11nm)
γ) δημιουργία ινιδίων χρωματίνης (30nm). Δημιουργούν σωληνοειδές με
υπερελίκωση των νουκλεοσωμάτων, στην εξωτερική πλευρά του οποίου
τοποθετούνται οι πυρήνες των νουκλεοσωμάτων, ενώ στην εσωτερική μένει
το συνδετικό DNA με την ιστόνη Η1 που σταθεροποιεί τα ινίδια των 30nm.
δ) υπερελικοειδείς βρόχοι 10-150 Kbp. Συγκρατούνται μεταξύ τους με μη
ιστόνες πρωτεΐνες που δημιουργούν ένα χρωματοσωματικό άξονα.
ε) οργάνωση ετεροχρωματίνης (700nm).
στ) μεταφασικό χρωματόσωμα (1400nm).
Το συνολικό πακετάρισμα (αναδίπλωση) του DNA γίνεται 15.000-20.000
φορές.
Σύνοψη: το χρωματόσωμα αποτελείται από DNA και πρωτεΐνες. Το DNA
είναι το μόριο που φέρει τις γενικές πληροφορίες, ενώ οι πρωτεΐνες
συμμετέχουν στην οργανωση και στη λειτουργίς των χρωματοσωμάτων. Οι
πρωτεΐνες διακρίνονται σε ιστόνες και μη ιστόνες πρωτεΐνες. Το νουκλεόσωμα
63
Τόμος Α
-
-
Κυτταρική βιολογία
είναι το πρώτο επίπεδο οργάνωσης των χρωματοσωμάτων και αποτελείται
από DNA και από δυο μόρια από τις ιστόνες Η2Α, Η2Β, Η3, Η4. Το DNA
συσπειρώνεται 15.000-20.000 φορές.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. Τα χρωματοσώματα αποτελούνται από DNA, ιστόνες και μη ιστόνες
πρωτεΐνες.
2. Ο πυρήνας του νουκλεοσώματος αποτελείται από DNA και από δυο μόρια
των Η2Α, Η2Β, Η3, Η4. Η ιστόνη Η1 δεν δομεί τον πυρήνα αλλά ενώνει
τα άκρα του DNA που περιβάλλει τα νουκλεοσώματα.
3. Το πρώτο επίπεδο οργάνωσης της χρωματίνης είναι το νουκλεόσωμα.
4. Το συνδετικό DNA συνδέει δυο νουκλεοσώματα.
Ασκήσεις ανασκόπησης:
1. Φώσφορο έχουν τα νουκλεϊκά οξέα και όχι οι πρωτεΐνες και θείο έχουν οι
πρωτεΐνες και όχι τα νουκλεϊκά οξέα
2. Ορισμός γονιδιώματος: μη πλήρης σειρά της γεννετικής πληροφορίας ενός
κυττάρου.
3. Το DNA συσπειρώνεται διότι είναι 2 m και πρέπει να χωρέσει στο
πυρήνα. Κατά την διαίρεση του κυττάρου μπορεί να κατανεμηθεί
ακριβοδίκαια στα θυγατρικά κύτταρα χωρίς κίνδυο ανωμαλιών.
4. Λειτουργίες των μη ιστονών χρωματοσωμικών πρωτεϊνών:
α) ρυθμίζουν την ενεργότητα των γονιδίων
β) είναι ένζυμα της αντιγραφής, μεταγραφής κτλ του DNA
γ) συγκροτούν τα σύμπλοκα της μεταγραφής του DNA.
5. Οι ιστόνες είναι πολύ συντηρημένα μόρια γιατί ο σκελετός του DNA με
τον οποίο συνδέονται είναι ταυτόσημος σε όλα τα μόρια του DNA
ανεξάρτητα από την αλληλουχία των βάσεων.
7.4 Η δυναμική των χρωματοσωμάτων.
Δομή χρωματίνης και ενεργότητα γονιδίων.
-
-
-
Η δομή της χρωματίνης αποτελεί σημαντικό ρυθμιστικό παράγοντα της
ενεργότητας των γονιδίων. Το DNA άλλοτε είναι ενεργό και άλλοτε δεν
μεταγράφεται, χωρίς να γνωρίζουμε τους λόγους. Τα νουκλεοσώματα
απαντούν σε συγκεκριμένες θέσεις του DNA.
Χαρακτηριστικά χρωματίνης:
α) ρυθμιστικά μόρια μπορούν να δεσμευτούν σε συγκεκριμένες θέσεις του
DNA μεταξύ των νουκλεοσωμάτων
β) ρυθμιστικά μόρια (μεταγραφικοί παράγοντες) μπορούν να δεσμευτούν σε
αλληλουχία DNA που περιτυλίγει το οκταμερές των ιστονών και βλεπουν
προς την εξωτερική πλευρά του οκταμερούς.
Τα νουκλεοσώματα και οι παράγοντες μεταγραφής αλληλεπιδρούν δυναμικά
και καθορίζουν τη μεταγραφική κατάσταση των ευκαρυωτικών γονιδίων.
Πολυταινικά χρωματοσώματα: μια ιδιαιτερότητα της μεσοφασικής χρωματίνης.
-
Πολυταινικά χρωματοσώματα: γιγαντιαία χρωματοσώματα που έχουν χάσει
την ικανότητα διαίρεσης. Μόνο το DNA συνεχίζει να αντιγράφεται.
Ο πυρινίσκος είναι μια λειτουργική δομή των μεσοφασικών χρωμοσωμάτων.
64
Τόμος Α
-
-
-
-
-
Κυτταρική βιολογία
Πυρηνίσκος: μια περιοχή των μεσοφασικών χρωματοσωμάτων που σχετίζεται
με την παραγωγή του ριβοσωματικού RNA. Υπάρχει μόνο κατα τη μεσόφαση
ενώ εξαφανίζεται στη μίτωση και επανεμφανίζεται στους πυρήνες των
θυγατρικών κυττάρων στις περιοχές του γονιδιώματος που περιέχουν γονίδια
rRNA. Είναι υπεύθυνος για την παραγωγή και ωρίμανση του rRNA.
Πυρηνισκικός οργανωτής: περιοχή του χρωματοσώματος που περιέχει το
rDNA και αντιστοιχεί σε μια ομάδα γειτονικά επαναλαμβανομένων γονιδίων
rRNA.
Πυρηνισκικά χρωματοσώματα: χρωματοσώματα που συμβάλλουν στο
σχηματισμό πυρηνίσκου.
Εκλεκτική επέκταση: είναι ένας προγραμματισμένος πολλαπλασιασμός των
γονιδίων με σκοπό την σύνθεση μεγάλων ποσών ειδικών γινιδιακών
προϊόντων σε ανταπόκριση ειδικών αναπτυξιακών αναγκών.
Σύνοψη: η θέση των νουκλεοσωμάτων είναι παράγοντας ρύθμισης της
ενεργότητας των γονιδίων. Η δέσμευση μεταγραφικών παραγόντων στο DNA
προκαλεί δυετερογενεία αλλαγές στη διαμόρφωση της χρωματίνης με
αποτέλεσμα την ενεργοποίηση γονιδίων. Ο πυρηνίσκος είναι περιοχή
ορισμένων μεσοφασικών χρωματοσωμάτων που περιέχουν τα γονίδια για το
rRNA.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. Τα νουκλεοσώματα έχουν συγκεκριμένη θεση στο DNA, αλλοιώς θα ήταν
αδύνατο να διατηρηθεί σε λειτουργία.
2. Θέσεις υπερευαίσθητες του DNA είναι εκείνες που υδρολύονται με
νουκλεάσες.
3. Πυρηνισκικός οργανωτής είναι περιοχή του χρωματοσώματος που
περιέχεται στο rDNA.
4. Ο πυρηνίσκος δεν είναι μόνιμος σχηματισμός στο κύτταρο αλλά
δημιουργείται κατά την διάρκεια της μεσόφασης.
Ασκήσεις ανασκόπησης:
1. Η δέσμευση των παραγόντων μεταγραφής στο DNA προκαλεί αλλαγές
στη διαμόρφωση της χρωματίνης, με αποτελεσμα αλλαγές στην
δυνατότητα δέσμευσης ρυθμιστικών μορίων.
2. Το κύτταρο ανταπεξέρχεται στην αυξημένη πρωτεϊνοσύνθεση με το
φαινόμενο της εκλεκτικής επέκτασης όπου αντιγράφει (φτιάχνει) πολλά
αντίτυπα ριβοσωματικών γονιδίων και συνεπώς δημιουργούνται πολλά
ριβοσώματα.
Σύνοψη κεφαλαίου:
1. Πυρήνας ευκαρυωτικού κυττάρου: είναι μια πολύπλοκη δομή που
χωρίζεται σε σχέση με το κυτταρόπλασμα με μια διπλή μεμβράνη.
2. Πυρηνική μεμβράνη: ελέγχει την ανταλλαγή βιομορίων μεταξύ πυρήνα
και κυτταροπλάσματος, διατηρώντας έτσι την μοναδικότητα των
κυρίαρχων κυτταρικών διαμερισμάτων.
3. Χρωματοσώματα: βρίσκονται στο πυρήνα και αποτελούνται από DNA και
ιστόνες και σχηματίζουν τα χαρακτηριστικά νουκλεοπρωτεϊνικά ινίδια,
που συνιστούν το πρώτο επίπεδο εργάνωσης των χρωματοσωματιδίων. Τα
ινίδια αυτά έχουν μορφή κομπολογιού, με τις χάνδρες να αποτελούν τα
νουκλεοσώματα και απαρτίζονται από μορία Η2Α, Η2Β, Η3, Η4 που
περιτυλίγονται δυο φορές από DNA και σταθεροποιούνται σ’ αυτό με Η1.
Το πακετάρισμα αυτό του DNA σε νουκλεοσώματα μειώνει το ολικό
μήκος του στο 1/7. Ακολουθούν και άλλα επίπεδα οργάνωσης που
65
Τόμος Α
Κυτταρική βιολογία
μειώνουν και άλλο περισσότερο το ολικό μήκος του DNA. Στα
χρωματοσώματα δεσμεύονται και πρωτεΐνες.
4. Γενετικό υλικό: είναι το DNA των χρωματοσωμάτων και μεταβιβάζεται
στους απογόνους, εκφράζεται εκλεκτικά και είναι υπεύθυνο για τις
δραστηριότητες του κυττάρου και του οργανισμού.
5. Μορφές γεννετικού υλικού: α) χρωματίνη κατά τη μεσόφαση, β)
χρωματοσώματα κατά τη μίτωση.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ: 8
Εισαγωγή
-
Μελετάμε μηχανισμούς διαίρεσης και ρύθμισης του κυττάρου. Η κατανόηση
των μηχανισμών αυτών ίσως διελευκάνει την καρκινογέννεση.
Λέξεις κλειδιά: κυτταρικός κύκλος, μίτωση, κυτταροδιαίρεση, μείωση,
κυτταρικός θάνατος, πρόφαση, μετάφαση, ανάφαση, τελοφαση, κυκλίνες,
μονογονία.
Τα κύτταρα διαιρούνται για να αναπαραχθούν. Όλοι οι οργανισμοί είναι
προϊόντα επανειλημμένων κύκλων κυτταρικής αύξησης και διαίρεσης.
Μίτωση: είναι ο μηχανισμός της κυτταρικής διαίρεσης.
Μείωση: μηχανισμός διαίρεσης για τη δημιουργία των απλοειδών γεμετών
από τα διπλοειδή προγονικά κύτταρα.
8.1 Κυτταρικός κύκλος
-
-
Με τη διαίρεση αυξάνεται ο αριθμός των κυττάρων του οργανισμού και
αντικαθίστανται τα κατεστραμένα κύτταρα. Κάθε χρονική στιγμή διαιρούνται
στο σώμα εκατομμυρια κύτταρα στο σώμα μας.
Αναλόγως τη διαίρεση τα κύτταρα διακρίνονται σε:
α) σε κύτταρα που σταματούν να διαιρούνται από τη στιγμή που θα
διαφοροποιηθούν, όπως τα νευρικά κύτταρα, τα μυϊκά και του κορμού των
φυτών.
β) σε κύτταρα που διαιρούνται με γρήγορους ρυθμούς όπως τα επιθηλιακά, τα
κύτταρα του μυελού των οστών και τα μεριστωματικά κύτταρα του φλιού και
της ρίζας των φυτών.
γ) σε κύτταρα που διαρούνται με ενδιάμεσο ρυθμό, όπως τα κύτταρα του
ύπατος που διαιρούνται 1-2 φορές το χρόνο.
Ο ρυθμός διαίρεσης εξαρτάται και από τις περιβαλλοντικές συνθήκες.
Ο κυτταρικός κυκλος διακρίνεται σε 4 φάσεις.
-
Κυτταρικός κύκλος: είναι η χρονική περίοδος μεταξύ του τέλους της μιας
κυτταρικής διαίρεσης μέχρι το τέλος της επόμενης κυταρικής διαίρεσης.
Περιλαμβάνει τη μεσόφαση και τη μίτωση.
Οι φάσεις διαδοχικά είναι: μεσόφαση [G0] G1 (50%) S (20%) G2 (10%)
τέλος μεσόφασης αρχή μίτωσης η φάση M (20%) μίτωση.
Φάση G1: είναι το μεσοδιάστημα που μεσολαβεί από τη στιγμη που θα
γεννηθεί το κύτταρο μεχρι να αρχίσει η αντιγραφή του DNA.
Φάση S: είναι η χρονική περίοδος σύνθεσης του DNA και και γίνεται στο
στάδιο της μεσόφασης. Κατά το τέλος της φάσης S τα κύτταρα έχουν
66
Τόμος Α
-
-
-
Κυτταρική βιολογία
αντιγράψει το DNA και έχουν διπλάσιο ποσό DNA από όσο στο αρχικό
διπλοειδές κύτταρο.
Φάση G2: το διάστημα από τη στιγμή που θα γίνει η ανατιγραφή του DNA
μέχρι να αρχίσει η διαίρεση του κυτταρου.
Φάση Μ: είναι η διάρκεια της μίτωσης
Στα θυλαστικά η φάση S διαρκεί 6-10 ώρες και η G2 2-5ώρες.
Στάδιο G0: είναι στάδιο αναστολής διάρκειας μέρες , μήνες ή χρόνια. Τα
νευρικά μπαινοντας στο στάδιο G0 δεν διαιρούνται ποτέ πάλι.
Σύνοψη: κυτταρικός κύκλος= αναπαραγωγικός κύκλος του κυττάρου.
Διακρίνεται σε 4 φάσεις: τη G1 όπου το κύτταρο προετοιμάζεται για την
αντιγραφή του DNA, τη φάση S όπου το DNA αντιγράφεται, τη G2
όολοκληρώνει την διαδικασία της διαίρεσης και την Μ όπου το κύτταρο
διαιρείται.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. Κάθε κατηγορία κυττάρων έχει διαφορετικό ρυθμό διαίρεσης. Πχ Τα
νευρικά δεν διαιρούνται ποτέ, τα υπατικά 1-2 φορές το χρόνο ενώ τα
επιθυλικά πολύ συχνά.
2. Η αντιγραφή του DNA γίνεται στη φάση του S κύκλου.
Ασκήσεις ανασκόπησης: ο υπολογισμός της χρονικής διαίρεσης των φάσεων
ότι η συχνότητα μιας φάσης είναι ανάλογα με τη χρονική διάρκειά της.
8.2 Μίτωση.
-
Σκοπος της μίτωσης είναι ο ακριβοδίκαιος διαχωρισμός των
χρωματοσωμάτων και ο σχηματισμός των δυο θυγατρικών κυττάρων. Τα
θυγατρικά διατηρούν το ίδιο γεννετικό υλικό με το γονικό κύτταρο.
Φάσεις της μίτωσης: πρόφαση, προμετάφαση, μετάφαση, ανάφαση,
τελόφαση.
Διάρκεια μίτωσης: 1-4 ώρες.
Πρόφαση
-
-
-
Η πρόφαση χαρακτηρίζεται από τη συσπείρωση των διπλασιασμένων
χρωματοσωμάτων, την προετοιμασία του αποχωρισμού τους και τη
συγκρότηση της μιτωτικής ατράκτου.
Το χρωματόσωμα στη διάρκεια της μίτωσης: το χρωματόσωμα είναι ήδη
χωρισμένο σε δυο όμοια ήμισι που καλούνται αδερφές χρωματίδες. Οι αδρφές
χρωματίδες έχουν προέλθει απο την αντιγραφή του DNA και τον διπλασιασμό
των χρωματοσωματικων πρωτεϊνών στη φάση S.
Κεντρομερίδιο: εξειδικευμένη αλληλουχία DNA που συγκρατεί τις αδερφές
χρωματίδες συνδεδεμένες.
Κινητοχώρος: η απόληξη του κεντρομεριδίου οπου εκεί προσδένονται τα
ινίδια της ατράκτου κατά τη μετάφαση, μικροσωληνίσκοι (20-40) και
διάφορες πρωτεΐνες κινητήρες. Συμμετεχει στην κίνηση των
χρωματοσωμάτων στη μίτωση.
Συσπείρωση των χρωματοσωμάτων: επηρεάζεται από τη μετατροπή της
μεσοφασικής χρωματίνης σε μιτωτικό χρωματόσωμα.
Κεντρόσωμα ή Κέντρο οργάνωσης μικροσωληνίσκων (ΜΤΟC): είναι το
υπεύθυνο οργανίδιο για τον σχηματισμό και την κατανομή των
μικροσωληνίσκων. Οι μικροσωληνίσκοι οργανώνουν την πυρηνική άτρακτο.
Το κεντρόσωμα συνίσταται από άμορφη πρωτεϊνική μάζα που περιέχει
67
Τόμος Α
-
-
Κυτταρική βιολογία
δακτυλίους της γ τουμπουλίνης που χρησιμεύουν ως θεσεις πυρήνωσης για
την αύξηση των μικροσωληνίσκων και δυο κυλινδρικά κεντρόλια.
Συγκρότηση της ατράκτου: υπάρχουν 3 τύποι ατράκτου
1. άτρακτος με κεντρόλια και σημιουργία αστέρα (ζωϊκά κύτταρα): στο τέλος
της G2 οι μικροσωληνίσκοι που εκτείνονται από το κεντρόσωμα προς την
περιφέρεια του κυττάρου, ελλατώνονται σε μήκος (μέσω πολυμερισμούαποπολυμερισμού) και πληθαίνουν. Δημιουργείται μια ακτινωτή διάταξη
γώρω από το κεντρόσωμα καλούμενη αστρόσφαιρα ή αστέρας. Τότε
αρχίζει και η απομάκρυνση των δυο κεντροσωμάτων προς τους πόλους
του κυττάρου (οι πόλοι είναι τα κέντρα των δυο νέων προς δημιουργία
κυττάρων) με τη βοήθεια πρωτεϊνών-κινητήρων (κινούνται με υδρόλυση
ΑΤΡ και κίνηση κατά μήκος των μικροσωληνίσκων). Ταυτόχρονα οι
μικροσωληνίσκοι (εδώ διακτίνονται σε ελεύθερους και διαπολικούς) που
εκπορεύονται από τα κεντροσώματα αναπτύσονται και σχηματίζουν την
άτρακτο. Η σταθεροποίηση επιτυγχάνεται με τις πρωτεΐνες κινεσίνες.
2. άτρακτος χωρίς κεντρόλια και χωρίς αστέρα (φυτά): σχηματίζεται από το
κεντρόσωμα χωρίς κεντρόλια και σχηματίζει στενή ζώνη γύρω από τον
πυρήνα. Περιέχουν μέσα τους μικροσωληνίσκους που διευθετούνται
παράλληλα και καταλήγουν σε αντίθετες πλευρές δημιουργώντας τους
πόλους της ατράκτου.
3. άτρακτος με πολικά σωμάτια (πρωτόζωα, μύκητες): αποτελούνται από
πυκνές στιβάδες βυθισμένες μερικώς ή ολικώς στην πυρηνική μεμβράνη.
Δομές και οργανίδια: δομές και οργανίδια του κυττάρου κομματιάζονται και
και σχηματίζουν κυστίδια που διασκορπίζονται σε όλο το κυτταρόπλασμα
όπως στο ER και σύμπλεγμα Golgi. Αυτό το κομμάτιασμα των δομών
στοχεύει στην ισοκατανομή τους κατά τη διαίρεση. Όμως ανέπαφα
παραμένουν τα μιτοχόνδρια, λυοσώματα, υπεροξειδιοσώματα και
χλωροπλάστες που επίσης ισοκατανέμονται στα νέα κύτταρα.
Προμετάφαση
-
Προμετάφαση: αποδιοργάνωση του πυρηνικού ελάσματος (λόγω
φωσφορυλίωσης), κατακερματισμός της πυρηνικής μεμβράνης σε μικρά
κυστίδια και την αποδιοργάνωση των ενδιάμεσων ινιδίων του πυρηνικού
ελάσματος. Δημιουργούνται άτρακτοι με τους μικροσωληνίσκους να
αρπάζουν τα χρωματοσώματα από τον διελυμένο πυρήνα πηγαίνοντάς τα προς
τον ισημερινό του κυττάρου.
Μετάφαση
-
Μετάφαση: χαρακτηρίζεται η χρονική περίοδος που τα χρωματοσώματα έχουν
όλα δεσμευτεί στα ινίδια της ατράκτου και ευθυγραμιστεί στον ισημερινό του
κυττάρου και περιμένουν σήμα για κίνηση προς τους πολους (ανάφαση). Στη
μετάφαση οι μικροσωληνίσκοι της ατράκτου διακρίνονται σε 3 κατηγορίες:
1. πολικούς μικροσωληνίσκους
2. μικροσωληνίσκους των κινητοχώρων που κινούν τα χρωματοσώματα
στους πόλους κατά την ανάφαση
3. αστρικούς μοκροσωληνίσκους που εδράζουν στο κεντρόσωμα και
σχηματίζουν αστέρα.
68
Τόμος Α
Κυτταρική βιολογία
Ανάφαση
-
Ανάφαση: είναι η μικρότερη χρονικά φάση της μίτωσης, διάρκειας λίγων
λεπτών. Εδώ οι αδερφές χρωματίνες (τώρα καλούνται θυγατρικά
χρωματοσώματα) κινούνται προς τους πόλους. Η ανάφαση διακρίνεται σε
ανάφαση Α και Β. Στην Α οι μικροσωληνίσκοι των κινητοχώρων μικραίνουν
καθώς αποπολυμερίζονται και τα χρωματοσώματα μεταναστεύουν προς τους
πόλους. Στην ανάφαση Β οι πολικοί μικροσωληνίσκοι επιμηκύνονται
απομακρύνοντας συγχρόνως και τους πόλους μεταξύ τους. Οι κινητήριες
δυνάμεις για όλα αυτά είναι οι πρωτεΐνες κινητήρες.
Τελόφαση
-
-
-
-
Τελόφαση: άφιξη των χρωματοσωμάτων στους πόλους. Εδώ τα
χρωματοσώματα
αποσυσπειρώνονται
λόγω
ιστόνης
Η1
που
αποφωσφορυλιώνεται και παίρνουν την χαρακτηριστική μορφή της
χρωματίνης της μεσόφασης. Δημιουργείται πάλι πυρηνική μεμβράνη από τα
κυστίδια που αρχικά δεσμεύοντας στις χρωματίδες (οι οποίες είναι τώρα τα
χρωματοσώματα του νέου κυττάρου) τις περικλείουν και μετά συντήκονται σε
ενιαίο σχηματισμό. Συγχρόνως αρχίζει η μεταγραφή του RNA και αυξάνεται
η σύνθεση των πρωτεϊνών. Επίσης εμφανίζεται κινητικότητα στα διάφορα
κυστίδια για σχηματισμό του ER, του συμπλέγματος Golgi κτλ. και
επαναλειτουργεί η επικοινωνία με το εξωκυταρικό περιβάλλον. Εξαφανίζεται
η άτρακτος εκτός από μια στιβάδα μικροσωληνίσκων στον ισημερινό του
κυττάρου.
Σύνοψη: μίτωση= διεργασία όπου ένα κύτταρο διαιρείται σε δυο κύτταρα.
Διακρίνεται στη φάση της πρόφασης, προμετάφασης, μετάφασης, ανάφασης,
τελόφασης. Σκοπός είναι τα χρωματοσώματα (που ήδη έχουν διπλασιαστεί
κατά την μεσόφαση) να ισοκατανεμηθούν στα θυγατρικά κύτταρα.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. Το κεντρόσωμα διπλασιάζεται ανεξάρτητα από τα χρωματοσώματα.
2. Οι
μικροσωληνίσκοι
συμμετέχουν
στον
διαχωρισμό
των
χρωματοσωμάτων.
3. Σειρά κυτταρικής διαίρεσης (μίτωση): πρόφαση προμετάφαση
μετάφαση ανάφαση τελόφαση. Μεσόφαση= το χρονικό διάστημα
μεταξύ δυο μιτώσεων.
Ασκήσεις ανασκόπησης:
1. Διαφορά ανάφασης Α
και Β: στην Α οι μικροσωληνίσκοι των
κινητοχώρων μικρύνονται καθώς τα χρωματοσώματα κινούνται προς τους
πόλους, ενώ στην Β οι πολικοί μικροσωληνίσκοι επιμηκύνονται και οι
πόλοι απομακρύνονται.
2. κεντρομερίδιο= περιοχή των μιτωτικών χρωματοσωμάτων που κρατά τις
αδελφές χρωματίνες ενωμένες.
Κεντρόσωμα= οργανίδιο που ευθύνεται για την πυρήνωση και οργάνωση
των μικροσωληνίσκων της ατράκτου.
8.3 Κυτταρική διαίρεση.
-
Με το τέλος της μίτωσης ξεκινά η διαίρεση του κυτταροπλάσματος ώστε να
δημιουργηθούν δυο νέα κύτταρα.
69
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
Η κυτταροδιαίρεση διαφέρει στα φυτά σε σχέση με τα ζώα, πρωτόζωα και
φύκη, λόγω διαφορετικού είδους κυτταρικού τοιχώματος.
Η κυτταροδιαίρεση στα ζωικά κύτταρα.
-
Στα ζωικά κύτταρα κατά την ανάφαση και τελόφαση δημιουργείται στον
ισημερινό του κυττάρου το ενδιάμεσο σώμα μαζί με τους μικροσωληνίσκους
και κυστίδια και εμφανίζεται μια περίσφιγξη στον ισημερινό (συσταλτός
δακτύλιος) που βαθαίνει συνεχώς μέχρι το κύτταρο να χωριστεί στα δύο. Ο
συσταλτός δακτύλιος δημιουργείται αυθόρμητα και εξαφανίζεται βαθμιαία
καθώς προχωρά η διαίρεση.
Η κυτταροδιαίρεση στα φυτικά κύτταρα
-
-
-
-
Στα φυτικά κύτταρα η διαίρεση δεν γίνεται με περισφιγξη αλλά με
συγκρότηση νέου κυτταρικού τοιχώματος στον ισημερινό του κυττάρου.
Πορεία διαίρεσης φυτικού κυττάρου:
α) αρχικά αποδιοργάνωση της ατράκτου,
β) συσσωρεύονται κυστίδια (προερχόμενα από Golgi),
γ) αύξηση πυκνού υλικού και κυστιδίων,
δ) σχηματισμός φραγματοπλάστη στο κέντρο του κυττάρου.
ε) αύξηση φραγματοπλάστη μέχρι να φτάσει την πλασματική μεμβράνη και
να χωρίσει το κύτταρο στα δύο και αν αντικατασταθεί από συνεχές τοίχωμα.
στ) το νέο κυτταρικό τοίχωμα λέγεται κυτταρική πλάκα
Σύνοψη: η κυτταροδιαίρεση είναι διαδικασία ξεχωριστή από τη μίτωση. Τα
ζωικά κύτταρα, πρωτόζωα και φύκη διαιρούν το κυτταρόπλασμά τους με τη
δημιουργία μιας περίσφιγξης (συσταλτός δακτύλιος) που είναι αποτέλεσμα
της δέσμης ινιδίων ακτίνης-μυοσίνης. Τα φυτικά διαιρούνται με τη
συγκρότηση νέου κυτταρικού τοιχώματος στον ισημερινό του κυττάρου από
κυστίδια που περιέχουν προβαθμίδες του κυτταρικού τοιχώματος.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. ζωικά κύτταρα: ενδιάμεσο σωμα, συστακτός δακτύλιος
φυτικά κύτταρα: φραγματοπλάστης, ισημερινή πλάκα.
2. η σύντηξη των κυστιδίων στον ισημερινό του φυτικού κυττάρου
δημιουργεί μια στιβάδα, γνωστή ως φραγματοπλάστης.
3. η διαίρεση του κυτταροπλάσματος αρχίζει κατά τη διάρκεια της μίτωσης.
Ασκήσεις ανασκόπησης: σύγκρισης διαίρεσης κυττάρου σε φυτικό και ζωικό
κύτταρο: τα αρχικά στάδια της κυτταροδιαίρεσης είναι ίδια.
Αποδιοργανώνεται
η
άτρακτος,
συσσωρεύονται
κυστίδια
και
κυτταροσκελετικά ινίδια κλπ. Όμως στα φυτά γίνεται συσσώρευση υλικού του
κυτταρικού τοιχώματος και σχηματισμός του φραγματοπλάστη, που
καταλήγει στη δημιουργία του κυτταρικόυ τοιχώματος. Στα ζωικά εμφανίζεται
μια περίσφιγξη που εμ το χρόνο βαθαίνει μέχρι να χωρίσει το κύτταρο στα
δυο.
8.5 Ρύθμιση του κυττρικού κύκλου.
-
Κυτταρικός κύκλος= διαδικασία διαίρεσης του κυττάρου που αποτελείται απο
φάσεις. Αν δεν ολοκληρωθεί η προηγούμενη φάση δεν παει στην επόμενη.
Αν το DNA δεν έχει αντιγραφεί σωστά το κύτταρο δεν εισέρχεται στη μίτωση
αλλά εκτελείται επιδιόρθωση.
70
Τόμος Α
-
Κυτταρική βιολογία
Κεντρικό σύστημα: Ο κυτταρικός κύκλος έχει ένα κεντρικό σύστημα ελέγχου
και σημεία ελεγχου για να επιβλέπει τη σωστή λειτουργία του κυτταρικού
κύκλου. Το κεντρικό σύστημα ελέγχου επικοινωνεί με το περιβάλλον και
ρυθμίζεται από μηνυματοφόρα μόρια. Οποιαδήποτε βλάβη του κεντρικού
συστήματος θα οδηγήσει σε ανεξέλεγκτη διαίρεση και καρκινογένεση. Ακόμη
σχετίζεται με την διαδικασία του προγραμματισμένου κυτταρικού θανάτου.
Σύμπλοκα κυκλίνης –κινασών επάγουν τις διάφορες φάσεις του κυτταρικού
κύκλου.
-
-
-
-
-
MPF= παράγοντας επαγωγής και ωρίμανσης. Είναι πρωτεΐνη που
συγκροτείται από δυο πολυπεπτιδικές αλυσίδες :
α) την κινάση (καταλυτική υπομονάδα) που μεταφέρει φωσφορικές ομάδες σε
συγκεκριμένες σερίνες και θρεονίνες των πρωτεϊνών. Η συγκέντρωσή της
παραμένει σταθερή σε όλο τον κυτταρικό κύκλο.
β) τη κυκλίνη (ρυθμιστική υπομονάδα) . Συνθέτεται περιοδικά στη διάρκεια
του κυτταρικού κύκλου αρχίζοντας στην G1 φάση και μηδενίζεται στο τελος
της μίτωσης, όπου και η συγκέντρωσή της φτάνει στα επιθυμητά όρια
ενεργοποίησης του συστήματος.
Κινάση εξαρτημένη από την κυκλίνη (Ddk): όταν κινάση και κυκλίνη είναι
ενωμένες.
Η ενεργότητα του MPF έχει διακυμάνσεις κατά τη διάρκεια του κυτταρικού
κύκλου με μεγαλύτερη στο τέλος της G2 φάσης και μικρότερη στο τέλος της
μίτωσης. Οι διακυμάσεις της ενεργότητας οφείλονται στην παρουσία ή μη της
κυκλίνης. Το ενεργό MPF είναι συνάρτηση της συνθετόμενης κυκλίνης.
Τα σύμπλοκα κυκλίνης-κινάσης σταματούν τον κυτταρικό κύκλο στα σημεία
ελέγχου. Αν το DNA της φάσης G1 έχει υποστεί βλάβη τότε ένα σύστημα
αυτοελέγχου μπαίνει σε λειτουργία. Το DΝΑ που έχει βλάβη, προκαλεί
αύξηση της συγκέντρωσης και της ενεργότητας της ρυθμιστικής πρωτεΐνης
p53 που με μια πολύπλοκη διαδικασία αναστέλει την ενεργότητα του
συμπλόκου κυκλίνης-Cdk, με αποτέλεσμα την παραμονή του κυτταρου στην
G1 φάση, μέχρις ολοκληρωθεί η πειδιόρθωση του DNA.
Σχέση μηχανισμών ελεγχου και καρκινογένεσης: αν η p53 που εμποδίζει την
αντιγραφή του ελαττωματικού DNA υποστεί κάποια μεταλλαγή και καταστεί
ανενεργός ή παύσει να συνθέτεται στο κύτταρο, τότε το κύτταρο με
ελατωματικό DNA δεν παραμένει στην G1 φάση, αλλά συνεχίζει τον κύκλο
με αποτέλεσμα να μεταπέσει σε θάνατο ή καρκινοκύτταρο. Πολλά
μεταλλαγμένα γονίδια της p53 συμμετέχουν σε σημαντικό βαθμό στην
καρκινογέννεση στον άνθρωπο.
Σύνοψη: η ρύθμιση του κυτταρικού κύκλου είναι μια ελεγχόμενη διεργασία
που έχει σκοπό τη διασφάλιση ορθής ολοκλήρωσης της μιτωτικής διαίρεσης.
Η ρύθμιση του κυτταρικού κύκλου γίνεται σε διάφορα στάδια. Τα πιο
μελετημένα είναι η μετάβαση από τη φάση G1 στη φάση S και από την G2
στην Μ. Η ορθή ολοκλήρωση της διαδικασίας είναι το έναυσμα για την αρχή
της επόμενης φάσης. Το σύστημα ελέγχου συνίσταται από την κυκλίνη
(ρυθμιστική υπομονάδα) και την κινάση (καταλυτική υπομονάδα). Ο αριθμός
των κυττάρων ενός οργανισμού (δηλ το μέγεθος του οργανισμού) ρυθμίζεται
από μηνύματα που δέχεται από όλα τα κύτταρα του οργανισμού καθώς και
ενδογενές πρόγραμμα. Η απορύθμιση του κυτταρικού κύκλου σχετίζεται
άμεσα με την καρκινογένεση.
71
Τόμος Α
-
-
Κυτταρική βιολογία
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. το κύτταρο περνά από τη φάση G1SM υποχρεωτικά και ανεξάρτητα
τροφής.
2. ο κυτταρικό κύκλος διεγείρεται απόσύμπλοκα κυκλίνης-κινασών.
Ασκήσεις ανασκόπησης: οι μηχανισμοί που σταματουν τον κυτταρικό κύκλο
είναι: α) αναστολείς της Cdk παρεμποδίζουν την αυτοσυγκρότηση ή την
ενεργότητα συμπλόκων κυκλίνης-Cdk, β) συστατικά του ρυθμιστικού
συστήματος παύουν να συνθέτονται.
8.6 Έλεγχος αριθμού των κυττάρων και απόπτωση.
-
Ο αριθμος των κυττάρου οργανισμού, ο χρόμος επιβίωσής τους και ο θάνατός
τους ρυθμίζονται.
Η ρύθμιση εξαρτάται από τα μηνύματα (μηνυματοφόρα μόρια) που
προέρχονται από τα άλλα κύτταρα του οργανισμού σε συνδιασμό με το
ενδογενές πρόγραμμα του κυττάρου.
Η απόπτωση οφείλεται σε έλλειψη μηνυματοφόρων μορίων.
-
-
Μετά από έναν αριθμό διαιρέσεων τα κύτταρα σταματούν την διαίρεσή τους.
Το φαινόμενο καλείται κυτταρική γήρανση.
Τα κύτταρα δέχονται μηνυματοφόρα μόρια για τον πολλαπλασιασμό τους
αλλά και την επιβίωσή τους (παράγοντες επιβίωσης).
Απόπτωση: Αν το κύτταρο στερηθεί τους παράγοντες επιβίωσης,
ενεργοποιείται ένα ενδογενές προγραμμα, η απόπτωση, ή αλλοιώς
προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος.
Κατά την απόπτωση απορίπτονται κύτταρα, δομές και ιστοί που δεν είναι
απαραίτητα και δημιουργούν προβλήματα.Πχ τα κύτταρα γαλακτογόνων
αδένων θυλαστικών όταν αταματήσει ο θηλασμός.
Κατά την κυτταρική απόπτωση:
α) τα κύτταρα χάνουν την επαφή τους με τα γειτονικά τους και συρικνώνονται
β) το DNA κομματιάζεται από ενδονουκλεάσες
γ) ο κυτταροσκελετός και η κυτταρική μεμβράνη συρικνώνεται
δ) το κύτταρο διασπάται σε κομμάτια και κυτταροφαγώνεται από τα
γειτονικά.
Σύνοψη: κυτταρικός θάνατος ή απόπτωση= ενεργοποίηση ενός ενδογενούς
προγράμματος θανάτου του κυτταρου.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
Το μέγεθος των οργανισμών οφείλεται στον αριθμό των κυττάρων
Ασκήσεις ανασκόπησης:
Η απόπτωση είναι μια φυσιολογική διαδικασία και οφείλεται στην έλλειψη
μηνυματοφόρων μορίων.
72
Τόμος Β
Βιοχημεία
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1
Εισαγωγή
-
Οι ζωντανοί οργανισμοί διέπονται από τους νόμους της φύσης (φυσικοι
νόμοι, θερμοδυναμική).
1.1 Τι είναι και τι μελετά η βιοχημεία.
- Βιοχημεία: ασχολείται με τον χημισμό των ζωντανών οργανισμών.
- Χημισμός: χημική σύσταση και χημικές αλληλεπιδράσεις στους ζωντανούς
οργανισμούς.
- Η βιοχημεία διαφέρει απο την Ανόργανη ή οργανική χημεία ή τη φυσική στο
ότι επιλύει βιολογικά κυρίως προβλήματα, παρά χημικά.
- Αντικείμενα της βιοχημείας:
1. Οι χημικές ενώσεις (οργανικές κυρίως) που απαντούν στους ζωντανούς
οργανισμούς, πχ μακρομόρια, όπως πολυσακχαρίτες, πρωτεΐνες,
νουκλεϊκά οξέα και διαφέρουν από οργανισμο σε οργανισμό.
2. Οι καταλυτικές πρωτεΐνες, δηλ ένζυμα που είναι υπεύθυνα για όλες τις
αντιδράσεις στους ζωντανούς οργανισμούς.
3. Η ενέργεια, δηλ το πώς οι αυτότροφοι οργανισμοί (φυτά) αξιοποιούν το
φως και οι ετερότροφοι αξιοποιούν την ενέργεια των ομοιοπολικών
δεσμών των τροφών.
4. Η αποικοδόμιση, δηλ ο καταβολισμός των υδατανθράκων, λιπιδίων και
αμινοξέων.
5. Η σύνθεση, δηλ ο αναβολισμός των ενώσεων που χρειάζονται οι
οργανισμοί. Ενώσεις που συνθέτουν όλοι οι οργανισμοί: γλυκόζη, αίμη,
ΑΤΡ, πρωτεΐνες, νουκλεϊκά οξέα. Ενώσεις που συνθέτουν ορισμένοι
οργανισμοί: χλωροφύλλη (φυτα), μεθάνιο (βακτήρια), ορμόνες, κ.α.
6. Οι μοριακοί μηχανισμοί μεταφοράς γενετικών πληροφοριών, δηλ DNA
RNA πρωτεΐνες.
7. Οι μηχανισμοί εισόδου-εξόδου ενώσεων στα κύτταρα, δηλ μηχανισμοί
διακίνησης ιόντων, υδρόφιλων μορίων, μακρομορίων κ.α. από την
κυτταρική μεμβράνη.
8. Ο έλεγχος του μεταβολισμού, δηλ ποιές αντιδράσεις επιτρέπονται να γίνουν
την κατάλληλη στιγμή, πχ έλεγχος της μεταγραφής και έκφρασης των
γενετικών πληροφοριών.
9. Ανασυνδιασμός του DNA.
- Μοριακή βιολογία: προήλθε από την βιοχημεία και εξετάζει τα αντικείμενα 6,
8, 9 της βιοχημείας.
1.2 Οι νόμοι που διέπουν τη ζωντανή ύλη.
- Η κατανόηση της ζωής απαιτεί την θερμοδυναμική.
- Θερμοδυναμική: ασχολείται με την οργάνωση και αποδιοργάνωση στο
σύμπαν.
- Πρώτος νόμος θερμοδυναμικής (ή νομος διατήρησης της ενέργειας): ΔΕ=QW. ΔΕ=διαφορά ενέργειας τέλους και αρχής μια διαδικασίας, Q=θερμότητα
που απορρόφησε το σύστημα, W=έργο που εκτέλεσε το σύστημα. Όταν
παράγεται μια ποσότητα ενέργειας πρέπει να εξαφανιστεί ένα ισοδύναμο ποσό
άλλων μορφών ενέργειας, δηλ η εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος
73
Τόμος Β
-
-
-
-
-
Βιοχημεία
μεταβάλλεται μόνο με ανταλλαγή θερμότητας ή έργου με το περιβάλλον του.
Αν ΔΕ<0 το σύστημα έδωσε ενέργεια στο περιβάλλον, αν ΔΕ>0 τότε έλαβε.
Εσωτερική ενέργεια συστήματος = κινητική ενέργεια των μορίων του +
ενέργεια των χημικών του δεσμών + κάθε ενέργεια που μεταβάλλεται με
φυσικές ή χημικές διεργασίες.
Υπάρχουν αντιδράσεις που προχωρούν αυθόρμητα έστω και αν ΔΕ>0 , και
ερμηνεύονται σε συνδιασμό με τον 2ο νόμο της θερμοδυναμικής.
Δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος: μια διεργασία πραγματοποιείται αυθόρμητα
μόνο αν το άθροισμα της εντροπιας του συστήματος και της εντροπιας του
περιβάλλοντος αυξάνεται.
Εντροπία: δίνει το μέτρο της αταξίας του συστήματος. Κατά τη δημιουργία
ενός ζωντανού οργανισμού η εντροπία ελαττώνεται, διότι από
αποδιοργανωμένα μόρια, δημιουργείται ένα οργανωμένο σύστημα οπότε η
τάξη αυξάνεται δηλ η εντροπία ελαττώνεται. Επειδή όμως έχει σημασία το
άθροισμα εντροπίας συστήματος και περιβάλλοντος, η αύξηση της εντροπίας
στο περιβάλλον είναι μεγαλύτερη από την ελάττωση της εντροπίας λόγω της
οργάνωσης των μορίων σε ένα νέο ζωντανό σύστημα. Γι’ αυτό είναι και
δυνατή η δημιουργία του νέου οργανισμού.
Ελεύθερη ενέργεια Gibbs (G ή F): ΔG=ΔΕ-Τ ΔS. Τ=απόλυτη θερμοκρασία,
S=εντροπία. Η ελεύθερη ενέργεια του Gibbs συνδιάζει και τους δυο
θερμοδυναμικούς νόμους. Έτσι μια αντίδραση προχωρά αυθόρμητα αν ΔG<0.
Αν ΔG>0 η αντίδραση πραγματοποιείται μόνο όταν κερδίσει ελεύθερη
ενέργεια.
Ζωντανό σύστημα (ορισμός): είναι ένα σύστημα ικανό να οργανώσει τον
εαυτό του μακριά από το σημείο ισορροπίας, έτσι ώστε:
1. οι διεργασίες του να ελέγχονται από ένα προγραμμα που είναι
αποθηκευμένο με μορφή συμβόλων
2. να μπορεί να αναπαράγει τον εαυτό του, συμπεριλαμβανομένου του
προγράμματος.
Ή πιο απλά, η ζωή είναι μια δυναμική κατάσταση της ύλης που είναι
οργανωμένη με πληροφορία.
Ομοιότητες ζωντανών, και μη ζωντανών συστημάτων: Πέρα από την
θερμοδυναμική, τα ζωντανά συστήματα υπακούουν και σε όλους τους άλλους
χημικούς και φυσικούς νόμους, πχ
1. υπακούουν στον θεμελιώση νόμο δράσης των μαζών, δηλ για την
αντίδραση Α+Β Γ+Δ ισχύει Κ=[Γ][Δ]/[Α][Β] (σταθερά ισορροπίας).
Η σταθερά ισορροπίας σχετίζεται με την ελεύθερη ενέργεια ως ΔG0= -RT
lnK.
2. Υπακούουν στα ηλεκτρικά φαινόμενα, πχ το δυναμικό V που πετυχαίνεται η
ισορροπία ιόντος στο εσωτερικό και εξωτερικό μιας μεμβράνης διέπεται
από την εξίσωση του Nernst V=RT/ZF lnC0/Ci , Ζ=σθένος ιόντος,
F=σταθερά Faraday, C0,Ci= σηγκέντρωση ιόντος στο εσωτερικό/
εξωτερικό της μεμβράνης.
3. αποτελούνται από τα ίδια στοιχεία που βρίσκουμε στην ανόργανη φύση. Το
99% των χημικών στοιχείων του σώματος είναι Η, Ο, C, το δε υπόλοιπο
1% είναι Ν και μεταλλικά ή μη ιχνοστοιχεία.
Σύνοψη: Βιοχημεία είναι η επιστήμη που ασχολείται με τον χημισμό των
ζωντανών οργανισμών, δηλ χημική φύση, χημικές αντιδράσεις, φυσικές
74
Τόμος Β
Βιοχημεία
διεργασίες, ενέργεια, πληροφορία. Οι ζωντανοί οργανισμοί είναι χημικά
συστήματα ενταγμένα στη φύση και υπόκεινται στου νόμους της φύσης.
-
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
1. Η βιοχημεία είναι η επιστήμη η οποία μελετά την δομή των χημικών
ενώσεων και αλληλεπιδράσεων των ζωντανών οργανισμών.
2. α) Οι νόμοι της θερμοδυναμικής ισχύουν τόσο για τα ζωντανά όσο και τα
ανόργανα συστήματα. β) Όταν σε ένα σύστημα ΔΕ>0 το σύστημα
απορροφά ενέργεια. Η διαδικασία όμως είναι δυνατο να προχωρήσει
αυθόρμητα. γ) Στο σύστημα μάνας-παιδιού, η ανάπτυξη του εμβρίου είναι
δυνατή λόγω αύξησης της συνολικής εντροπία-αταξίας (συστήματος
περιβάλλοντος), δηλ ΔSσυστήματος-ΔSπεριβάλλοντος>0
3. Λέξεις κλειδιά για τον ορισμό της ζωής: αυτοοργάνωση, έλλειψη
ισορροπίας, πληροφορία (πρόγραμμα), αναπαραγωγή, εξέλιξη.
4. Δεν γνωρίζουμε κανένα φυσικό νόμο που δεν ισχύει για τα ζωντανά
συστήματα ενώ ισχύει για τα μη ζωντανά και δεν περιμένουμε να
ανακαλυφθεί κάποιος τέτοιος νόμος.
5. Τα ανόργανα και τα ζωντανά συστήματα αποτελούνται από τα ίδια
στοιχεια, αλλά μόνο ποιοτικά. Ποσοτικά διαφέρουν πολύ. Το πυρίτιο
αποτελεί το 20% του φλοιού της γης αλλά στον άνθρωπο λείπει τελείως, ο
άνθρακας αποτελεί το 10% του σώματος αλλά στον γήινο φλοιό
βρίσκουμε μόνο ίχνη του.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2
Εισαγωγή
- Δομή και λειτουργίες πρωτεϊνών.
- Καμιά διεργασία δεν γίνεται στους οργανισμούς χωρίς την παρουσία
πρωτεΐνης.
- Οι πρωτεΐνες συντελούν στην κίνηση, αναπαραγωγή, άμυνα, θρέψη κλπ του
οργανισμού.
2.1 Τα δομικά συστατικά των πρωτεϊνών.
α-αμινοξύ: συστατικό της πρωτεΐνης. Είναι οργανικά οξέα με τον α- C να
ενώνεται ως
Η
+
Η3Ν-C-COO- , όπου R=οποιαδήποτε αλυσίδα.
R
- Τα αμινοξέα είναι αμφολύτες, δηλ με μια θετική και μια αρνητική ομάδα.
Είναι δυνατό να έχουν και περισσότερες στις πλάγιες αλυσίδες R.
- Ισοϊονική ή ισοηλεκτρική μορφή: είναι όταν το αμινοξύ έχει συνολικό φορτίο
0, και έτσι δεν έλκεται από ηλεκτρικό πεδίο.
- Το pH στο οποίο παρατηρείται η ισοϊονική μορφή ονομάζεται ισοϊονικό ή
ισοηλεκτρικό σημείο (pI). Το ενδοκυτταρικό pH των περισσότερων
οργανισμών είναι περίπου 7.
- Οι πρωτεΐνες διαφέρουν μόνο ως προς την ομάδα R. Υπάρχουν μόνο 20
διαφορετκά είδη πρωτεϊνών, που αποτελούνται από εκατοντάδες είδη
αμινοξέων:
1. Αμινοξέα με μη πολικές υδρόφοβες ομάδες R:
L-αλανίνη (ala-A)
L-μεθειονίνη (met-M)
75
Τόμος Β
-
Βιοχημεία
L-βαλίνη (val-V)
L-φαινυλαλανίνη (phe-F)
L-λευκίνη (leu-L)
Lτρυπτοφάνη (trp-W)
L-ισολευκίνη (ile-I)
L-προλίνη (pro-P)
2. Αμινοξέα με μη φορτισμένες σε pH 6-7 πολικές ή υδρόφιλες ομάδες R.
Γλυκίνη (gly-G)
L-σερίνη (ser-S)
L-θρεονίνη (thr-T)
L-κυστεΐνη (cys-C)
L-ασπαραγίνη (asn-N)
L-τυροσίνη (tyr-Y)
L-γλουταμίνη (gln-Q)
3. Αμινοξέα με αρνητικά φορτισμένη ομάδα R σε pH 6-7 (όξινα αμινοξέα):
L-ασπαραγινικό οξύ (asp-D) L-γλουταμινικό οξύ (glu-E)
4. Αμινοξέα με θετικά φορτισμένη ομάδα R σε pH 6-7 (αλκαλικά αμινοξέα)
L-λυσίνη (lys-K)
L-αργινίνη (arg-R)
L-ιστιδίνη (his-H)
Τυροσίνη, τρυπτοφάνη, φαινυλαλανίνη: αμινοξέα που απορροφούν υπεριόδες
φως των 280 nm.
2.2 Η τρισδιάστατη διαμόρφωση των πρωτεϊνών.
- Αμιδικός δεσμος: Οι πρωτεΐνες αποτελούνται από αμινοξέα που είναι
συνδεδεμένα μεταξύ τους με αμιδικούς δεσμούς, δηλ η καρβοξυλομάδα του
ενός αμινοξέου ενώνεται με την αμινομάδα του δεύτερου κοκ.
- Πεπτιδικός δεσμός: είναι ο αμιδικός δεσμός που συναντάμε στις πρωτεΐνες.
- Πεπτίδια: είναι οι ενώσεις που προκύπτουν από τον πεπτιδικό δεσμό. Ανάλογα
με το πόσα αμινοξέα περιέχει ένα πεπτίδιο, ονομάζεται διπεπτίδιο,
τριπεπτίδιο... ολιγοπεπτίδιο, πολυπεπτίδιο. Ο αριθμός των αμινοξέων μπορεί
να κυμαίνεται από δεκάδες, πολλές εκατοντάδες και σπάνια χιλιάδες.
- Αμινο-τελικό άκρο, ή Ν-άκρο: είναι το άκρο της πεπτιδικής αλυσίδας με
ελεύθερη (μη πεπτιδικά ενωμένη) αμινομάδα.
- Καρβοξυ-τελικό άκρο, ή C-άκρο: έχει μια ελεύθερη καρβοξυλομάδα.
- Μια πρωτεΐνη μπορεί να αποτελείται από μια ή περισσότερες πολυπεπτιδικές
αλυσίδες. Το μοριακό βάρος μιας πρωτεΐνης κυμαίνεται από λίγες χιλιάδες έως
εκατοντάδες χιλιάδες.
- Οι πρωτεΐνες με μια πεπτιδική αλυσίδα έχουν μέχρι και 3 επίπεδα στην
τρισδιάστατη διαμόρφωσή τους, ενώ ένα 4ο επίπεδο υπάρχει στις πρωτεΐνες
με περισσότερες πεπτιδικές αλυσίδες.
2.2.1 Πρωτοταγής δομή πρωτεϊνών.
- Πρωτοταγής δομή= πρώτο επίπεδο διαμόρφωσης πρωτεΐνης. Αναφέρεται στην
αλληλουχία των αμινοξέων σε κάθε πεπτιδική αλυσίδα.
- Για να χαρακτηρίσουμε μια πρωτεΐνη χρειάζεται:
1. αριθμός αμινοξέων που αποτελείται.
2. ποσοστό του κάθε είδους του αμινοξέος, δηλ πόσο τυροσίνη, λευκίνη,
τρυπτοφάνη, γλυκίνη κλπ περιέχει.
3. την ακριβή σειρά στην αλληλουχία, πχ ala-tyr-met-his-asn-lys-…
2.2.2 Δευτεροταγής δομή πρωτεϊνών.
- Δευτεροταγής δομή= δεύτερο επίπεδο διαμόρφωσης πρωτεϊνών.
Δημιουργείται λόγω δεσμών Η. Αφορά την διάταξη στο χώρο της ομάδας των
ατόμων που γειτονεύουν με τον πεπτιδικό δεσμό (μεταξύ α-C και δυο
γειτονικών αμινοξέων) και επαναλαμβάνονται σαν ραχοκοκκαλιά στον
πρωτεϊνικό κορμό:
76
Τόμος Β
Βιοχημεία
Ο Η
|| |
(α)C-C-N-C(α)
-
-
Η ομάδα αυτή των ατόμων έχει τις εξής ιδιότητες:
1. όλα τα άτομα βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο
2. οι δεσμοί C=O, Ν-Η έχουν trans διαμόρφωση.
3. ο πεπτιδικός δεσμός έχει κατά 40% χαρακτήρα διπλού και το σύστημα δεν
μπορεί να περιστραφεί γύρω από τον δεσμό αυτόν.
4. το σύστημα μπορεί να περιστραφεί γύρω από τον δεσμό (α)C-C και έτσι
τομέας της πεπτιδικής αλυσίδας δύναται να αναπτύξει ελικοειδή διάταξη.
Δεσμός Η: αναπτύσεται όταν το Η βρεθεί ανάμεσα σε δυο ηλεκτραρνητικά
άτομα όπως Ο, Ν.
Διακρίνουμε δυο μορφές δευτεροταγούς διαμόρφωσης:
1. β-πτυχωτικό φύλλο. Αναπτύσσεται σε περιοχές με αμινοξέα με μικρά R
(πχ γλυκίνη, αλανίνη, σερίνη).
2. α-έλικα.
3. τυχαία διαμόρφωση, όταν δεν υπάρχουν οι παραπάνω δυο διαμορφώσεις.
2.2.3 Τριτοταγής δομή των πρωτεϊνών.
- Τριτοταγής δομή: είναι το τελευταίο επίπεδο οργάνωσης πρωτεϊνών και
παρουσιάζει μια μεμονωμένη πεπτιδική αλυσίδα. Οι δεσμοί της τριτοταγής
δομής γενικά δεν είναι Η αλλά μπορεί να είναι:
1. δισουλφιδικοί δεσμοί -S-S- μεταξύ ομάδων R κυστεϊνών όταν οξειδωθούν
οι σουλφυδρυλομάδες -SH τους.
2. ηλεκτροστατικοί δεσμοί, αναπτύσονται είτε μεταξύ αντίθετα φορτισμένων
ομάδων R (πχ γ-καρβοξυλίου του γλουταμινικού οξέος και της εαμινομάδας της λυσίνης), είτε σε αλληλεπιδράσεις διπόλων με ιόντα ή
διπόλου-διπόλου.
3. δεσμοί Η: αναπτύσονται μεταξύ –ΟΗ της σερίνης και τυροσίνης και
ομάδων R.
4. υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις: αναπτύσσονται μεταξύ ομάδων R υδρόφοβων
αμινοξέων, όπως βαλίνης, λευκίνης, φαινυλαλανίνης κ.α.
- Τα τρία επίπεδα διαμόρφωσης των πρωτεϊνών συνυπάρχουν ενιαία μέσα στην
δομή της πρωτεΐνης.
- Την επαναληψιμότητα στην δευτεροταγή και τριτοταγή δομή την καθορίζει η
πρωτοταγής δομή, ενώ η επαναληψιμότητα της πρωτοταγούς δομής
καθορίζεται από τη δομή του DNA (βλ Κεφ 7).
2.2.4 Τεταρτοταγής δομή πρωτεϊνών.
- Τεταρτοταγής δομή: είναι το επίπεδο οργάνωσης όταν μια πρωτεΐνη
αποτελείται από δυο ή περισσότερες πεπτιδικές αλυσίδες. Είναι
επαναλλήψιμη και σταθεροποιείται από τους μη ομοιοπολικούς ασθενείς
δεσμούς οι οποίοι σταθεροποιούν και την τριτοταγή διαμόρφωση.
2.3 Δομικές και λειτουργικές πρωτεΐνες.
- Λειτουργίες των πρωτεϊνών: κάνουν όλες τις δουλειές, αλλά από πλευράς
βιολογικού ρόλου τις κατατάσουμε σε δομικές και λειτουργικές.
- Δομικές πρωτεΐνες: συμβάλουν στην διαμόρφωση της υφής και στη διατήρηση
της μορφολογίας των ιστών, κυττάρων και υποκυτταρικών στοιχείων.
77
Τόμος Β
-
Βιοχημεία
Δημιουργούν ανθεκτικά ινώδη μορφώματα διότι οι πεπτιδικές αλυσίδες τους
έχουν ελικοειδή διάταξη. Η σταθεροποίηση των ινιδίων γίνεται με
ομοιοπολικούς δεσμούς. Ονομαστικά οι δομικές πρωτεΐνες είναι οι:
1. κολλαγόνο (εντοπίζεται στα ινώδη περιβλήματα, δέρμα, σκελετό, αγγεία).
2. ελαστίνη (βρίσκεται στα ελαστικά μορφώματα του σώματος, όπως
τένοντες, τοιχώματα μεγάλων αγγείων)
3. κερατίνες (μαλιά, φτερά)
4. φιρβοΐνη (μετάξι)
Λειτουργικές πρωτεΐνες: συμμετέχουν στις δυναμικές διεργασίες των
οργανισμών. Οι λειτουργικές πρωτεΐνες αλληλεπιδρούν εκλεκτικά με κάποιο
άλλο ή άλλα μόρια ή ιόντα που λέγονται προσδέτες (ligands). Διακρίνονται σε
1. Μεταφέρουσες πρωτεΐνες: γίνεται αλληλεπίδραση πρωτεΐνης-προσδέτη,
για διαμετακίνηση μορίων, πχ μεταφορά γλυκόζης διαμέσου της
κυτταρικής μεμβράνης, ή μοριακού οξυγόνου από τα πνευμόνια στα
δάκτυλα, ή σιδήρου στο σώμα, μεταφορά των ορμονών θυριξόνη,
κορτιζόνη και των ιστρογόνων από τον αδένα τους στα κύτταρα στόχους.
2. Αμυντικές πρωτεΐνες, ή ανοσοπρωτεΐνες, ή αλλοιώς αντισώματα:
αναγνωρίζουν περιοχές άλλων πρωτεϊνών (αντιγόνων) στις οποίες είναι
δεσμευμένα ομοιοπολικά άλλα μόρια, πχ υδατάνθρακες. Το σύμπλοκο
αντιγόνου-αντισωματος αναγνωρίζεται και καταστρέφεται από ειδικά
κύτταρα. Τα αντισώματα αποτελούνται από 2 βαριές αλυσίδες που
περιέχουν 500 αμινοξέα έκαστη, και από 2 ελαφριές των 220 αμινοξέων
έκαστη. Βαριές και ελαφριές συνδέονται με δισουλφιδικούς δεσμούς.
3. Ρυθμιστικές πρωτεΐνες: μεταβάλλουν την λειτουργικότητα των προσδετών
(πχ ορμόνες) με τους οποίους αλληλεπιδρούν.
4. Κινητήριες πρωτεΐνες: συμμετέχουν σε συστήματα κίνησης των
οργανισμών, πχ σκελετικοί μύες, μαστίγια, βλεφαρίδες, αμοιβαδοειδής
κίνηση, κυτταρική διαίρεση, μεταφορά κυστιδίων, κ.α, και έχουν μεγάλο
μοριακό βάρος. Η μυοσίνη είναι κινητική πρωτεΐνη και βρίσκεται στους
μύς. Αποτελείται από 2 βαριές πεπτιδικές αλυσίδες των 1800 αμινοξέων
έκαστη που έχουν δομή α-έλικας και διατάσονται ελικοειδώς η μια γύρω
από την άλλη. Στο άκρο συμπλέκονται και άλλες 4 πρωτεΐνες μοριακού
βάρους 16000-21000. Η ακτίνη (επίσης στους μύς) που δημιουργεί
υπερμορικά σύμπλοκα μαζί με άλλες πρωτεΐνες. Αλληλεπίδραση ακτίνηςμυοσίνης με υδρόλυση ΑΤΡ έχει αποτέλεσμα την μετακίνηση των μυϊκών
ινιδίων. Άλλες σημαντικές πρωτεΐνες στην κίνηση είναι οι δυνεΐνες και οι
κινεσίνες που έχουν υψηλό μοριακό βάρος (τάξης 106). Η ενέργεια
προέρχεται πάντα από υδρόλυση του ΑΤΡ.
5. Πρωτεΐνες συνοδοί (chaperonins): βοηθούν άλλες πρωτεΐνες να
λαμβάνουν σωστή διάταξη στο χώρο με ταυτόχρονη κατανάλωση
ενέργειας (δηλ ΑΤΡ).
6. Αποθηκευτικές πρωτεΐνες: αποθηκεύουν ορισμένες ουσίες που
απελευθερώνουν όταν το κύτταρο έχει ανάγκη. Η μυοσφαιρίνη αποθηκεύει
Ο, η φερριτίνη Fe, η μεταλλοθειονεΐνη βαρέα μέταλλα (πχ χαλκό, κάδμιο,
ψευδάργυρο κ.α.), η καζεΐνη (στο γάλα) αμινοξέα, φώσφορο και Ca2+.
7. Καταλυτικές πρωτεΐνες: είναι ένζυμα.
8. Διάφορες άλλες πρωτεΐνες δεν κατατάσονται στις παραπάνω κατηγορίες.
Τέτοιες είναι πχ οι πρωτεΐνες της κυτταρικής μεμβράνης.
78
Τόμος Β
Βιοχημεία
2.4 Ένζυμα
- Ένζυμα: Οι χημικές αντιδράσεις στους οργανισμούς είναι καταλυόμενες. Οι
καταλύτες των οργανισμών είναι λειτουργικές πρωτεΐνες και λέγονται ένζυμα.
- Ριβόζυμα: είναι νουκλεϊκά οξέα που καταλύουν, αλλά αυτές οι αντιδράσεις
είναι ελάχιστες.
- Υποστρώματα: είναι οι προσδέτες των ενζύμων (προσδέτες έχουν όλες οι
λειτουργικές πρωτεΐνες και άρα και τα ένζυμα).
- Προσθετικές ομάδες: είναι ενώσεις ομοιοπολικά δεσμευμένες από τα ένζυμα
και χρησιμοποιούνται ως υποστρώματα από αυτά.
- Συνένζυμα: είναι ενώσεις χαλαρά δεσμευμένες από τα ένζυμα και
χρησιμοποιούνται ως υποστρώματα από αυτά.
- Αλληλεπίδραση ενζύμου (Ε) και υποστρώματος (S) μεταβάλλει το
υπόστρωμα προς προϊόντα (Ρ) αφού πρώτα δημιουργηθεί ενδιάμεσο
σύμπλοκο ενζύμου-υποστρώματος (ES): Ε+S  ES  E+P. Η ταχύτητα
της αντίδρασης αυτής είναι: V=Vmax[S]/(Km+[S]) , Vmax=η μεγιστη ταχύτητα,
Κm=[Ε][S]/[ES] =σταθερά διαστάσεως του συμπλόκου ES (σταθερά
Michaelis). Στο μισό της μέγιστης ταχύτητας Κm=[S].
2.4.1 Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα των ενζυμικών αντιδράσεων.
- Το pH: υπάρχει μια τιμή pH όπου η ταχύτητα αντίδρασης γίνεται μέγιστη.
Αυτό γιατί τα ένζυμα είναι φορτισμένες πρωτεΐνες που επηρεάζονται από το
pH.
- Θερμοκρασία: η θερμοκρασία αυξάνει της ταχύτητα της ενζυμικής
αντίδρασης.
- Η συγκέντρωση του ενζύμου [Ε]: η ταχύτητα αυξάνει όσο αυξάνει το [Ε].
- Παρεμποδιστές (ή αναστολείς) : είναι οι ουσίες που παρεμποδίζουν τις
ενζυμικές αντιδράσεις. Όσες ενώσεις μοιάζουν δομικά με το υπόστρωμα
παρεμποδίζουν την αντίδραση (πχ το ίδιο το προϊόν της ενζυμικής που μέρος
του είναι πρώην υπόστρωμα).
- ενεργοποιητές: είναι ιόντα (πχ Ca2+, Mg2+, Mn2+,Cl- κ.α.) .
2.4.2 Η εξειδίκευση των ενζύμων.
- Εξειδίκευση ενζύμων: είναι η φύση της αντίδρασης την οποία καταλύουν τα
ένζυμα, αλλά και το υπόστρωμα στο οποίο δρούν. Η κατάλυση των ενζύμων
είναι εξειδικευμένη και δεν καταλύουν μεγάλο αριθμό ενώσεων όπως οι
ανόργανοι καταλύτες.
2.4.3 Κατάταξη των ενζύμων.
- Κατηγορίες ενζύμων με κριτήριο την εξειδίκευση:
1. οξειδοαναγωγάσες ή οξεισορεδουκτάσες: ένζυμα που καταλύουν της
οξείδωση ή αναγωγή του υποστρώματος. Διακρίνονται σε :
- δεϋδρογονάση (αν μεταφέρει Η),
- οξειδάση (αν μεταφέρει Ο),
- οξυγονάση (μεταφέρει Ο2),
- υδροξυλάση (Η από Ο2),
- υπεροξειδάση (Η2Ο2),
- NAD –NADP (νικοτιναμιδο-ένζυμα),
- FMN –FAD (φλαβινοσυνένζυμα),
- κυτοχρώματα (πρωτεΐνες που περιέχουν αίμη).
79
Τόμος Β
-
-
Βιοχημεία
2. τρανσφεράσες: ένζυμα που καταλύουν τη μεταφορά μιας ομάδας ατόμων
από έναν δότη σε έναν αποδέκτη. Τέτοιες ομάδες είναι οι
- μονοανθρακικές ομάδες (μεθυλομάδες, καρβοξυλομάδες),
- ακυλομάδες,
- γλυκοσυλομάδες,
- αζωτούχες,
- φωσφορικές,
- θειικές κ.α.
Δότες των ομάδων είναι τα συνένζυμα:
- μεθυλομάδων (-CH3) είναι η S-αδενοσυλμεθειονίνη (SAM),
- φορμυλομάδων (-CΗΟ) το τετραϋδροφολικό οξύ (THF),
- ακυλομάδων (R-CO-) το συνένζυμο Α (CoA, HS-CoΑ),
- καρβοξυλομάδων (-COOH) η βιοτίνη,
- αλδεϋδομάδων με 2-3 C (-CH2-CHO) η πυροφωσφορική θειαμίνη (ΤΡΡ),
- αμινομάδων (-ΝΗ2) η φωσφορική πυριδοξάλη (PLP)
- το αδενοσινοτριφωσφορικό οξύ (ΑΤΡ) δρα ως δότης των
ορθοφωσφορικών, πυροφωσφορικών, αδενυλικών και αδενοσυλ-ομάδων.
3. υδρολάσες: διασπούν υδρολυτικά δεσμούς, δεν χρησιμοποιούν συνένζυμα.
Διακρίνονται σε
- εστεράσες: υδρολύουν καρβοξυλεστέρες
- φωσφατάσες: υδρολύουν φωσφοεστερικούς δεσμούς
- γλυκοσιδάσες: υδρολύουν Ο-, Ν-, S-γλυκοσυλδεσμούς
- πεπτιδάσες: υδρολύουν πεπτιδικούς δεσμούς.
4. λυάσες: καταλύουν υποστρώματα που δεν υδρολύονται, όπως τα CO2,
-NH2, -SH, -OH, δημιουργώντας διπλούς δεσμούς στα υποστρώματα, ή
προσθέτουν ομάδες σε διπλούς δεσμούς. Δεν χρησιμοποιούν συνένζυμα.
5. ισομεράσες: καταλύουν ισομεριώσεις χωρίς χρήση συνενζύμων.
Διακρίνονται σε:
- ρακεμώσεις αμινοξέων (ρακεμάσες)
- επιμεριώσεις υδατανθράκων (επιμεράσες)
- cis-trans ισομεριώσεις
- ενδομοριακές μεταφορές ομάδων κ.α.
6. Λιγάσες: ένζυμα που καταλύουν τη δημιουργία δεσμών με δότη ενέργειας
το ΑΤΡ. Δημιουργούν δεσμούς C-O, C-S, C-N, C-C.
Κάθε μια από τις παραπάνω κατηγορίες ενζύμων υποδιαιρείται σε ομάδες και
αυτές σε υποομάδες. Έχει σημασία η προηγούμενη σειρά γραφής των
ενζύμων. Τους έχουν δωθεί κωδικοί που αποτελούνται από 4 ψηφία. Το 1ο
ψηφίο αναφέρεται στην κατηγορία, το 2ο στη υποομάδα, 3ο στο ένζυμο. Δηλ
το ένζυμο 2.3.1.4 είναι μια τρανφεράση, ενώ το 5.1.3.7 υποδηλώνει
ισομεράση κοκ.
Η κατάληξη –άση στα ένζυμα υποδηλώνει τη λειτουργία του, πχ μια
υδρολάση υδρολύει, μια ισομεράση ισομεριώνει, μια δεϋδρογονάση αφαιρεί
Η, κοκ.
2.5 Σχέση δομής και λειτουργίας
- Υπάρχει άμεση σχέση της δομής (δηλ τρισδιάστατη διαμόρφωση της
πρωτεΐνης) και της λειτουργίας μιας πρωτεΐνης.
- Οι πρωτεΐνες χάνουν την λειτουργικότητά τους αν μετουσιωθούν με βρασμό,
οξύ, μεταβολή θερμοκρασίας, αυξομειώσεις pH.
- Προσδέτες: είναι μικρά μόρια, ή συγκεκριμένες περιοχές μακρομορίων.
80
Τόμος Β
-
-
Βιοχημεία
Αλληλεπίδραση πρωτεΐνης-προσδέτη: γίνεται σε συγκεκριμένη περιοχή στην
επιφάνεια της πρωτεΐνης (ενεργός περιοχή ή ενεργό κέντρο), όπου ο
προσδέτης αλληλεπιδρά με ομάδες R αμινοξέων.
Αλλοστερικό μοντέλο: υπάρχουν πρωτεΐνες που αποτελούνται από
περισσότερες της μιας υπομονάδες και εμφανίζουν 2 ή περισσότερες δομές σε
ισορροπία. Στη δομή Τ (Τ=tense=τεταμένη) οι υπομονάδες δεν προσαρμόζουν
την τριτοταγή τους διαμόρφωση, έτσι ώστε να αλληλεπιδρούν με τους
προσδέτες τους, ενώ στη δομή R (R=relaxed=χαλαρωμένη) η αλληλεπίδραση
πρωτεΐνης-προσδέτη γίνεται πιο εύκολα. Η μετάπτωση από τη μια μορφή στην
άλλη γίνεται με τη δέσμευση σε ειδικά κέντρα (αλλοστερικά κέντρα)
προϊόντων του μεταβολισμού (αλλοστερικοί τροποποιητές). Αποτέλεσμα της
μετάπτωση είναι να μεταβάλλεται η λειτουργικότητα της πρωτεΐνης είτε
θετικά είτε αρνητικά.
Ομοτροπικός τροποποιητής: όταν ο προσδέτης δρα ως αλλοστερικός
τροποποιητής.
Ετεροτροπικός τροποποιητής: δυσκολεύει τη μετάπτωση στην R μορφή.
Σύνοψη
- Οι πρωτεΐνες αποτελούνται από 20 διαφορετικά αμινοξέα, που είναι ενωμένα
μεταξύ τους με πεπτυδικούς δεσμούς. Η πρωτεΐνη περιέχει απο δεκάδες έως
χιλιάδες αμινοξέα.
- Οι πρωτεΐνες φέρουν σε πέρας λειτουργίες για επιβίωση και αναπαραγωγή, πχ
κίνηση, άμυνα, μεταφορά ουσιών κλπ.
- Ένζυμα= πρωτεΐνες που καταλύουν τις χημικές αντιδράσεις στους
οργανισμούς.
- Υπάρχει σχέση δομής και λειτουργίας στις πρωτεΐνες.
- Αλλοστερικό φαινόμενο: συγκεκριμένοι τροποποιητές επηρεάζουν την
διαμόρφωση της πρωτεΐνης, όταν δεσμευτούν σε ορισμένες περιοχές της
πρωτεΐνης, τροποποιώντας την λειτουργία της πρωτεΐνης είτε ενεργοποιώντας
την είτε παρεμποδίζοντας την δράση της.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης.
Α.
Αμινοξύ
Βαλίνη
Ασπαραγινικό οξύ
Λυσίνη
Τρυπτοφάνη
Μεθειονίνη
Σερίνη
ιδιότητα σε pH.
υδρόφοβη
αρνητικά φορτισμένη
θετικά φορτισμένη
αποφορά το UV
περιέχει θείο
αναπτυσει δεσμό Η.
Γ.
1. Οι πρωτεΐνες με μεγάλα ποσά λυσίνης έχουν pH μεγαλύτερο του 7. Το
γλουταμινοκό οξύ μικρότερο του 7.
2. Ο πεπτιδικός δεσμός έχει εν μέρει ιδιότητες διπλού δεσμού, με αποτέλεσμα η
πεπτιδική αλυσίδα να αδυνατεί να περιστραφεί γύρω από αυτόν.
3. Στη δευτεροταγή διαμόρφωση όλα τα άτομα που επαναλαμβάνονται στη
ραχοκκοκαλιά της πρωτεΐνης βρίσκονται σε ίδιο επίπεδο.
4. Δεσμός Η αναπτύσεται όταν το Η βρίσκεται μεταξύ ηλεκτραρνητικών
ατόμων.
81
Τόμος Β
Βιοχημεία
5. Η α-έλικα σταθεροποιείται με δεσμούς Η, που αναπτύσσονται μεταξύ των
ατόμων Ν και –C=O των αμινοξέων κατά μήκος της έλικας, εκτός εάν
υπάρχει το αμινοξύ προλίνη.
Ε.
1. -2. Στις ανοσοπρωτεΐνες η δέσμευση του αντιγόνου είναι ισχυρή και αμφίδρομη.
3. Αλληλεπίδραση ρυθμιστικής πρωτεΐνης-προσδέτη έχει επιπτώσεις στην
λειτουργικότητα του προσδέτη.
4. Τα αποδοτικά ένζυμα έχουν χαμηλή Κm.
5. Η αλλοστερική μετάπτωση δεν παρατηρείται σε όλες τις πρωτεΐνες.
6. Τα συνένζυμα στην πράξη είναι και αυτά υποστρώματα.
7. Το υπόστρωμα αλληλεπιδρά μόνο στο ενεργό κέντρο του ενζύμου που είναι
στην επιφάνεια και όχι στο εσωτερικό του ενζύμου.
ΣΤ.
Αντίδραση:
1. R-O-R’ + H2O  R-OH + HO-R’
||
O
ένζυμο καταλύτης:
υδρολάση
2. R-OH + ATP  R-O-PO3H2 +ADP
τρανφεράση
3. R-CH-COOH +O2 +H2O  R-C-COOH +NH3 + H2O2
|
||
NH2
O
οξειδάση
4. R-CH2-CH-COOH  R-CH=CH-COOH + NH3
|
NH2
λυάση
5. Η3C-C-COOH +CO2 +ATP + H2O  HOOC-Η2C-C-COOH+ADP+Pi λιγάση
||
||
O
Ο
Ζ. Για να παρεμποδίσουμε το ένζυμο που οξειδώνει το ηλεκτρικό οξύ HOOC-CH2CH2-COOH διαλέγουμε το μηλονικό οξύ HOOC-CH2- COOH που του μοιάζει.
Θ. Η μεταλλοθειονεΐνη περιέχει το αμινοξύ κυστεΐνη, γιατί διαθέτει τη
σουλφυδρυλομάδα.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3
Εισαγωγή
- Μηχανισμοί που εμφανίστηκαν κατά την εξέλιξη με τους οποίους οι
οργανισμοί αξιοποιούν τις διάφορες μορφές ενέργειας που διαθέτει το
περιβάλλον τους, προκειμένου να ικανοποιήσουν τις δικές τους ανάγκες.
- Εξέλιξη: οι οργανισμοί και οι διεργασίες (πχ τρόποι μετατροπής της
ενέργειας) που συμβάλλουν στην επιβίωση και αναπαραγωγή τους
82
Τόμος Β
-
-
Βιοχημεία
εμφανίστηκαν σιγά-σιγά κατά τη διάρκεια 3 δις ετων με τον μηχανισμό της
φυσικής επιλογής.
Ενέργεια κάτω από αερόβιες συνθήκες του πλανήτη, είναι εκείνη που
απελευθερώνει τα απελευθερώνεται όταν ηλεκτρόνια υψηλού ενεργειακού
δυναμικού (στις τροφές) μεταφέρονται σε ενώσεις με μικρότερη ελεύθερη
ενέργεια, μέχρις ότου καταλλήξουν στο νερό.
Φωτοσύνθεση: μηχανισμός που μεταφέρει τα ηλεκτρόνια σε ενώσεις υψηλής
ενέργειας, δηλ τροφές. Αλλοιώς οι τροφές στη γη θα εξαντλούνταν, αν δεν
επαναδημιουργώντουσαν.
3.1 Οι πηγές ενέργειας των ζωντανών οργανισμών.
- Οξείδωση: όταν το μόριο χάνει ηλεκτρόνια.
- Αναγωγή: το μόριο κερδίζει ηλεκτρόνια.
- Όλοι οι οργανισμοί αντλούν την ενέργειά τους από οξειδωαναγωγικές
αντιδράσεις.
- Αυτότροφοι οργανισμοί (ή φωτότροφοι): οξειδώνεται το νερό με ενέργεια που
αντλείται από την ηλιακή ακτινοβολία με τελικό αποδέκτη Η (Η++e-) το
συνένζυμο NADP.
- Ετερότροφοι οργανισμοί (χημειότροφοι): οξειδώνονται οι τροφές με τελικό
αποδέκτη ηλεκτρονίων το Ο2.
- Και στους αυτόφωτους και στους ετερότροφους, μέρος της ενέργειας που
εκλύεται κατά την οξείδωση αποθηκεύεται στο ΑΤΡ (αδενοσινοτριφωσφορικό οξύ), σύμφωνα με την αντίδραση: ADP+ Pi  ATP+H2O
(ΔG0= 30.5 kJ/mol= 7300 cal/mol), όπου ADP=αδενοσινο-διφωσφορικό οξύ
και Pi= ορθοφωσφορικό οξύ.
3.1.1 Το ΑΤΡ εξελίχθηκε ως το κύριο μόριο αποθήκευσης χημικής ενέργειας
στους ζωντανούς οργανισμούς.
- Από την υδρόλυση του ΑΤΡ προς ADP και Pi εκλύεται το ποσό της ενέργειας
που έχει αποθηκευτεί στην φωσφορυλ-ομάδα, δηλ 30kJ/mol. Για αυτό και το
ΑΤΡ είναι το κυρίαρχο μόριο που, κατά την εξέλιξη, έγινε το κυρίαρχο μόριο
αποθήκευσης χημικής ενέργειας σε όλους σχεδόν τους οργανισμούς.
- Εκλυόμενη ενέργεια υδρόλυσης: ΔG=-RT lnK (Κ=σταθερά ισορροπίας
αντίδρασης υδρόλυσης). Τιμές της ΔG είναι:
Υδρόλυση της:
ΔG0
Φωσφορικής γλυκερίνης
-9.2 kJ/mol (χαμηλής ενέργειας)
Μονοφωσφορική αδενοσίνη (ΑΜΡ)
-14.2 kJ/mol
ADP και ATP
-30.5 kJ/mol (μέσης ενέργειας)
Φωσφορικής κρεατίνης
-43 kJ/mol
Φωσφοενολπυροσταφυλικού οξέος
-61.9 kJ/mol (υψιλής ενέργειας)
0
- Ενώσεις χαμηλής ενέργειας: όσες έχουν ΔG < 30 kJ/mol.
- Ενώσεις υψηλής ενέργειας: σε όσες ΔG0 > 30 kJ/mol.
- Το ΑΤΡ είναι στο όριο (30.5 kJ/mol) και μπορεί είτε να δώσει τη φωσφορυλομάδα του σε ενώσεις χαμηλής ενέργειας, είτε αναγεννάται με φωσφορυλίωση
του ADP από ενώσεις υψηλής ενέργειας.
- Σε όλες τις βιοσυνθετικές αντιδράσεις υδρολύεται και ένα τουλάχιστον μόριο
ΑΤΡ σε ADP και Pi (ορθοφωσφορικό) ή σε ΑΜΡ και PΡi (πυροφωσφορικό).
- Σε σπάνιες περιπτώσεις τον ενεργειακό ρόλο του ΑΤΡ τον παίζουν
τριφωσφορικοί εστέρες άλλων νουκλεοζιτών, όπως το γουανοσινο-
83
Τόμος Β
Βιοχημεία
τριφωσφορικό οξύ (GTP), κυτιδινο-τριφωσφορικό οξύ (CTP) και το ουριδινοτριφωσφορικό οξύ (UTP).
3.1.2 Στους ετερότροφους οργανισμούς οι κύριες τροφές είναι υδατάνθρακες,
λίπη και πρωτεΐνες.
- Οι κύριες τροφές των ετερότροφων οργανισμών (ζώων) είναι τα προϊόντα που
παράγουν άλλοι ζωντανοί οργανισμοί ή νεκροί οργανισμοί, επεξεργασμένοι ή
μη. Για να αποτελέσει τροφή μια ουσία, πρέπει να περιέχει ενώσεις που τις
χρησιμοποιεί ως συστατικά ο ίδιος ο οργανισμός που τις δέχεται.
- Τα συστατικά των οργανισμών που χρησιμοποιούνται ως τροφές είναι τα λίπη,
πρωτεΐνες και υδατάνθρακες.
- Οι πρωτεΐνες ως τροφές δίνουν τα αμινοξέα τους. Οι υδατάνθρακες είναι πηγή
ενέργειας. Η ενέργεια λαμβάνεται (με κατάλληλη επεξεργασία) από τους
ομοιοπολικούς δεσμούς των υδατανθράκων, λιπών και πρωτεϊνών
(αμινοξέων).
- Οι τροφές παρέχουν και χημικά στοιχεία (πχ C, Ν) αλλά και οργανικά μόρια
για να συνθέσουν οι οργανισμοί τα δικά τους συστατικά.
3.1.3 Προκειμένου μια ουσία να αξιοποιηθεί ενεργειακά από έναν αερόβιο
οργανισμό, πρέπει να μετατραπεί σε ακετυλομάδες.
- Μεταβολική οδός: μια σειρά χημικών ενώσεων που οδηγεί στη δημιουργία
συγκεκριμένου προϊόντος. Είναι κοινοί σε αερόβιους και αναερόβιους
οργανισμούς.
- Αερόβιοι οργανισμοί: πρώτοι εμφανίστηκαν στη γη πριν 2 εκατομύρια χρόνια
με την εμφάνιση του Ο. Η αερόβια ενεργειακή αξιοποίηση των τροφών ξεκινά
από τις ακετυλομάδες (με μετάπτωση των υδατανθράκων, πρωτεϊνών και
λιπών).
- Αναερόβιοι οργανισμοί: ερμφανίστηκαν πριν 3.5 δις χρόνια.
3.2 Ο κύκλος των τρικαρβονικών οξέων.
- Κύκλος Krebs, ή κύκλος τρικαρβονικών οξέων, ή κύκλος κιτρικού οξέος:
μεταβολική οδός που αποικοδομεί τροφές (λίπη, πρωτεΐνες, υδατάνθρακες) σε
ακετυλομάδες (κατ’ ακρίβεια το ακετυλο παράγωγο του συνενζύμου Α, δηλ.
CH3-CO-S-CoA) για να δώσουν ενέργεια. Πραγματοποιείται στο εσωτερικό
του μιτοχονδρίου.
- Η λειτουργία του κύκλου Krebs:
1. Παραγωγή κιτρικού οξέος (που είναι τρικαρβονικό οξύ) από
αντίδραση οξαλοξικού οξέος με ακετυλο-CoA.
2. ισομερίωση κιτρικού προς ισοκιτρικό, με ενδιάμεσο παράγωγο το
τρίτο τρικαρβονικό οξύ, το cis-ακονιτικό.
3. οξείδωση ισοκιτρικού προς οξαλοηλεκτρικό οξύ με ταυτόχρονη
αναγωγή του μορίου NAD+ προς NADH+H+. Το οξαλοηλεκτρικό με 6
C, αποκαρβοξυλιώνεται με α-κετογλουταρικό οξύ με ταυτόχρονη
αποβολή CO2.
4. αποκαρβοξυλίωση με κατάλυση από σύμπλοκο 3 ενζύμων, την
δεϋδρογονάση του α-κετογλουταρικού οξέος, που συμμετέχουν 5
συνένζυμα και έχει ως αποτέλεσμα αποβολή CO2 και δημιουργία
ηλεκτρυλο-συνενζύμου Α και την αναγωγή NAD+ προς NADH+H+.
84
Τόμος Β
-
-
Βιοχημεία
5. το ηλεκτρικό οξύ προκύπτει όταν απελευθερωθεί το συνένζυμο Α, ενώ
ταυτόχρονα συνθέτεται GTP από GDP+Pi. Ενεργειακά το GTP είναι
ταυτόσημο με το ΑΤΡ.
6. δυο οξειδώσεις με μια ενδιάμεση ενυδάτωση, όπου το ηλεκτρικό οξύ
οξειδώνεται σε οξαλοξικό οξύ, με ενδιάμεσα προϊόντα το φουμαρικό
οξύ και μηλικό οξύ, με ταυτόχρονη αναγωγή ενός τρίτου μορίου NAD+
προς NADH+H+, και ενός μορίου φλαβινο-αδενινο-δινουκλεοτίδιου
(FAD) προς FADH2.
Τελικό αποτέλεσμα κύκλου Krebs:
1. η αποικοδόμιση μιας ακετυλομάδας σε 2 CO2,
2. η αναγωγή 3 NAD+ προς NADH+H+ και
3. ενός FAD προς FADH2.
Στοιχειομετρία κύκλου Krebs:
CH3-CO-S-CoA+2H2O+3NAD++FAD+GDP+Pi 
 2CO2+3NADH+3H++FADH2 + HS-CoA+GTP
3.2.1 Η αναγέννηση των συνενζύμων είναι μια απαραίτητα και συνεχής διεργασία.
- Στις αντιδράσεις του κύκλου Krebs τα συνένζυμα συμμετέχουν στις
αντιδράσεις στοιχειομετρικά. Τα ποσά όμως συνενζύμων είναι ελάχιστα στο
σώμα. Για να φτάσουν την ποσότητα, για κάθε αντίδραση που καταναλώνει
συνένζυμο υπάρχει μια αντίδραση που το αναγεννά.
3.2.2 Ο κύκλος Krebs αποτελεί πηγή πρόδρομων ενώσεων για άλλες μεταβολικές
οδούς. Αναπληρωματικές αντιδράσεις.
- Αναπληρωματικές αντιδράσεις: αναπληρώνουν τα ενδιάμεσα προϊόντα του
κύκλου Krebs, τα οποία αντλούνται από τον οργανισμό για σύνθεση άλλων
ουσιών (πρόδρομες ενώσεις).
- Κυριότερες αναπληρωματικές αντιδράσεις:
Πυροσταφυλικό οξύ+CO2+ATP+H2O οξαλικό οξύ+ADP+Pi
Πυροσταφυλικό οξύ+CO2+NADPH+H+L-μηλικό οξύ + NADP+.
L-γλουταμινικό οξύ+κετοξύα-κετογλουταρικό οξύ+L-αμινοξύ.
3.2.3 Ο κύκλος του γλυοξυλικού οξέος.
- Όταν ο κύκλος Krebs λειτουργεί χωρίς παρεμβάσεις είναι ένας
καταβολιστικός μηχανισμός, μιας και αποικοδομεί ακετυλομάδες σε CO2.
- Κύκλος του γλυοξυλικού οξέος: σύνθεση υδατανθράκων, αμινοξέων,
πορφυρίνων κλπ από ακετυλομάδες.
3.3 Η αναπνευστική αλυσίδα.
- Η οξείδωση των συνενζύμων NADH, FADH2 στον κύκλο Krebs γίνεται από 4
πρωτεϊνικά σύμπλοκα εντός μιτοχονδρίου. Η ροή των ηλεκτρονίων μέσω
συμπλόκων της αναπνευστικής αλυσίδας στο Ο2:
NADHFMN

(σύμπλοκο Ι)

Q  κυτ. b  κυτ. c1  κυτ. c  κυτ. αα3  Ο2 .
(σύμπλοκο ΙΙ)

(σύμπλοκο ΙΙΙ)
(σύμπλοκο IV)
ηλεκτρικό οξύFAD 
85
Τόμος Β
-
Βιοχημεία
Σύμπλοκο Ι: είναι μια ρεδουκτάση του NADH που έχει το FMN συνένζυμο
και ανάγει την ουβικινόνη με οξείδωση του NADH σε NAD+.
Σύμπλοκο ΙΙ: μεταφέρει ηλεκτρόνια και πρωτόνια από το ηλεκτρικό οξύ μέσω
του FADH2 πάλι σε μια ουβικινόνη.
Σύμπλοκο ΙΙΙ: περιέχει κυτόχρωμα b και παραλαμβάνει τα ηλεκτρόνια απο
την ουβικινόλη και τα παραδίδει στο κυτόχρωμα c.
Σύμπλοκο ΙV (ή οξειδάση του κυτοχρώματος): είναι τα κυτοχρώματα a, a3 που
παραλαμβάνουν τα ηλεκτρόνια και τα δίδουν στο Ο2 που το ανάγουν σε Η2Ο,
δηλ Ο2+4e-+4H+2H2O.
Απελευθέρωση ενέργειας: μεταφορά ηλεκτρονίου κατά την αντίδραση
NADH+H+ + 1/2O2  NAD+ + H2O
που έχει ελεύθερη ενέργεια μεταφοράς –220kJ/mol (= -52.6 cal/mol). Το 60%
γίνεται θερμότητα, ενώ το 40% ενέργεια χημικού δεσμού στο ΑΤΡ με τον
μηχανισμό της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης.
3.3.1 Μεταφορά ηλεκτρονίων σε άλλα συστήματα.
- Μεταφορά ηλεκτρονίων, εκτός από την αναπνευστική αλυσίδα, γίνεται και με
οξειδάσες μεικτής λειτουργίας που υδρολύουν υποστρωματα:
RH + O2 + NADPH + H+  ROH + H2O + NADP+
,
όπου RH=υπόστρωμα (δηλ. Στεροειδή, λιπαρά οξέα, ρετινοειδή, κλπ).
3.3.2 Η εξουδετέρωση προϊόντων μερικής αναγωγής του οξυγόνου.
- Το ένζυμο δισμουτάση του υπεροξειδίου, καταλύει την 2Ο2- + 2Η+Η2Ο2+Ο2
και με το ένζυμο καταλάση 2Η2Ο2  2Η2Ο + Ο2 και έτσι δεν παραμμένει
κανένα Ο2- που είναι καταστροφικό για τον οργανισμό.
3.4 Οξειδωτική φωσφορυλίωση.
- Κατά την λειτουργία της αναπνευστικής αλυσίδας συνθέτονται και ΑΤΡ, ADP,
Pi.
- Ενέργεια σύνθεσης ΑΤΡ: προέρχεται από ροή πρωτονίων Η+ προς το
εσωτερικό του μιτοχονδρίου, μέσα από κατάλληλο κανάλι ενζύμου που
συνθέτει ΑΤΡ. Για κάθε 3 Η+ συνθέτεται ένα ΑΤΡ.
- Το ΑΤΡ απελευθερώνεται από το μιτοχόνδριο στο κυτταρόπλασμα και τον
πυρήνα του κυττάρου. Τα ΑΤΡ, ADP δομούνται στο μιτοχόνδριο.
- Πόσα μόρια ΑΤΡ παράγονται σε κάθε κύκλο Krebs:
1. Η οξείδωση του NADH οδηγεί στη σύνθεση 2.5 μορίων ΑΤΡ (άντληση 10
πρωτονίων Η+).
2. Η οξείδωση του ηλεκτρικού οξέος από το σύμπλοκο ΙΙ και η αναγέννηση
του FAD στην αναπνευστική αλυσίδα, παράγουν 1.5 μόριο ΑΤΡ.
3. Κατά την απελευθέρωση ηλεκτρικού οξέος δημιουργείται 1 ΑΤΡ (GTP).
4. Συνολικά: τα 3 μόρια NADH, το 1 μόριο FADH2, το 1 GTP που
δημιουργούνται στον κύκλο Krebs παρέχουν ενέργεια για τη σύνθεση
3x2.5+1X1.5+1=10 μορίων ΑΤΡ, ίση με 300kJ= 73 kcal.
3.5 Φωτοσύνθεση – μετατροπή της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας σε χημική.
- Πηγές των ακετυλομάδων είναι: οι υδατάνθρακες, λίπη και πρωτεΐνες.
- Ενέργεια αυτότροφων οργανισμών: αντλούν την ενέργειά τους μεταφέροντας
ηλεκτρόνια από ενώσεις υψηλότερης ενεργειακής στάθμης σε ενώσεις
χαμηλότερης ενεργειακής στάθμης.
86
Τόμος Β
-
-
-
-
-
Βιοχημεία
Φωτοσύνθεση: για να μην τελειώσουν οι ακετυλομάδες (δηλ οι πηγές
ενέργειας), υπάρχει η φωτοσύνθεση όπου τα ηλεκτρόνια στέλνονται από
ενώσεις χαμηλής ενεργειακής στάθμης σε υψηλής. Κατά τη φωτοσύνθεση
αφαιρούνται ηλεκτρόνια από Η2Ο (ένωση χαμηλής ενεργειακής στάθμης,) και
στέλνονται στο συνένζυμο NADP+ (υψηλής ενεργειακής στάθμης, λόγω
χαμηλού οξειδοαναγωγικού δυναμικού). Η ενέργεια για την μεταπήδηση των
ηλεκτρονίων από τη χαμηλή στην υψηλή στάθμη προέρχεται από το φως.
Χρησιμοποιείται και για τη σύνθεση του ΑΤΡ.
Χλωροφύλλη: Παίζει κεντρικό ρόλο στον μηχανισμό της φωτοσύνθεσης. Δρα
τόσο ως οξειδωτικό όσο και ως αναγωγικό, που το πετυχαίνει μόνο αν
διεγερθεί με φως, του οποίου η ενέργεια ανεβάζει ένα ηλεκτρόνιο της
χλωροφύλλης σε ψηλότερο επίπεδο ενέργειας:
Χλ +φως  Χλ*
, Χλ=χλωροφύλλη, Χλ*=ενεργοποιημένη χλωροφύλλη,
+
Χλ* + Α  Χλ + Α , Χλ+=ελεύθερη ρίζα χλωροφύλλης.
Χλ+ + Δ  Χλ + Δ+ , Δ+= δότης ηλεκτρονίου
Τελικώς: Α+Δ+φως  Α-+Δ+ .
Μόνο τα μόρια της χλωροφύλλης που βρίσκονται στα κέντρα αντίδρασης
μπορούν να διεγερθούν από το φως. Η συλλογή της ενέργειας του φωτός
γίνεται στα θυλακοειδή από συγκεκριμένες φωτοσυνθετικές μονάδες, στις
οποίες βρίσκονται και τα κέντρα αντίδρασης. Τα μόρια της χλωροφύλλης
εκτός κέντρων αντίδρασης αποροφούν την φωτεινή ενέργεια αλλά δεν
διεγείρονται.
Φωτοσύστημα Ι: μεταφέρει ηλεκτρόνια από το Η2Ο στο φωσφορυλιώμενο
νικοτιναμιδο-συνένζυμο. Απορροφά φως μέχρι 710 nm.
Φωτοσύστημα ΙΙ: μεταφέρει ηλεκτρόνια από το Η2Ο στο φωσφορυλιώμενο
νικοτιναμιδο-συνένζυμο. Απορροφά φως μέχρι 680 nm. Παράγει Ο2 από το
Η2Ο:
2 Η2Ο  4Η+ + 4e- +O2
2PQ+4H++4e-  2PQH2
, PQ=πλαστοκινόνη
τελικώς: 2H2O+2PQ + φως 2PQH2+O2 .
Φωτοφωσφορυλίωση: σύνθεση ΑΤΡ από ADP και Pi. Είναι συνδεδεμένη με
τον φωτοσυνθετικό μηχανισμό.
Φωτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης: είναι οι αντιδράσεις μεταφοράς
ηλεκτρονίων της φωτοσύνθεσης.
3.6 Το χημειωσμωτικό φαινόμενο.
- Στην αναπνευστική αλυσίδα, οι αντιδράσεις που παράγουν πρωτόνια Η+
γίνονται προς την εξωτερική πλευρά της εσωτερικής μεμβράνης του
μιτοχονδρίου, ενώ οι αντιδράσεις που καταναλώνουν ηλεκτρόνια γίνονται
προς την εσωτερική πλευρά της εσωτερικής μεμβράνης. Αποτέλεσμα αυτού
είναι η δημιουργία μιας διαβάθμισης πρωτονίων στις δυο πλευρές της
εσωτερικής μεμβράνης, ώστε να ελλατώνεται το pH μεταξύ των δυο
μιτοχονδρικών μεμβρανών αυξάνοντας στο εσωτερικό του μιτοχονδρίου, αλλά
και να φορτίζεται θετικά η εσωτερική μεμβράνη προς την εξωτερική της
πλευρά και αρνητικά προς το εσωτερικό του μιτοχονδρίου. Αυτό δημιουργεί
μια πρωτονιο-κινητική δύναμη που συνεισφέρει στη σύνθεση του ΑΤΡ. Το
φαινόμενο λέγεται χημειωσμωτικό.
87
Τόμος Β
-
Βιοχημεία
Το χημειωσμωτικό φαινόμενο παρατηρείται μόνο στα άθικτα (χωρίς ρωγμές)
μιτοχόνδρια. Στα μιτοχόνδρια με ρωγμές τα πρωτόνια διαχέονται ελεύθερα
και παύει να ισχύει η απαιτούμενη διαβάθμιση.
3.6.1 Παραγωγή ενέργειας και σύνθεση ΑΤΡ από τη διαβάθμιση πρωτονίων.
- Η αποκατάσταση ισορροπίας με τη μεταφορά πρωτονίων από το χώρο δυο
μεμβρανών προς το εσωτερικό του μιτοχονδρίου, δίνει την ενέργεια για
σύνθεση ΑΤΡ από ADP και Pi.
- Συνθετάση του ΑΤΡ: συγκρότημα πρωτεϊνών υπεύθυνο για τη σύνθεση του
ΑΤΡ.
- Το χημειωσμωτικό φαινόμενο είναι υπεύθυνο για τη λειτουργία του
μηχανισμού της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης οσο και τη λειτουργία της
φωτοφωσφορυλίωσης. Και στις δυο περιπτώσεις απελευθερώνεται 1 μόριο
ΑΤΡ για κάθε 3 Η+ που διαπερνούν τη μεμβράνη του θυλακοειδούς μέσα από
το κανάλι της συνθετάσης του ΑΤΡ.
Σύνοψη
- Βασικό ενεργειακό σχήμα των οργανισμών: ηλεκτρόνια που αποσπούνται από
το Η2Ο (χαμηλής ενεργειακής στάθμης) μεταφέρονται στο συνένζυμο NADP+
(υψηλής ενεργειακής στάθμης) με τη βοήθεια της ενέργειας του φωτός. Τα
ηλεκτρόνια του NADPH πλέον χρησιμεύουν για την αναγωγή του CO2 της
ατμόσφαιρας που ενσωματώνεται σε οργανικές ενώσεις και αποθηκεύεται με
μορφή αμύλου.
- Φωτοσύνθεση (γίνεται στα φυτά): μέρος της ενέργεια των φωτονίων
αποθηκεύεται στον πυροσταφυλικό δεσμό του ΑΤΡ , το οποίο αξιοποιείται για
τη σύνθεση της γλυκόζης.
- Τα ζώα (που δεν φωτοσυνθέτουν) αξιοποιούν την ενέργεια που είναι
αποθηκευμένη στους ομοιοπολικούς δεσμούς των τροφών (υδατανθράκων,
λιπών, πρωτεϊνών) με τον ακόλουθο μηχανισμό:
1. οι τροφές μετατρέπονται σε ακετυλομάδες με μορφή παραγώγου του
συνενζύμου Α
2. οι ακετυλομάδες μετατρέπονται σε CO2 και Η2Ο, τα δε ηλεκτρόνια που
απελευθερώνονται κατά την οξείδωση μεταφέρονται (μέσω αλυσίδας
μεταφοράς ηλεκτρονίων) στο χαμηλής ενέργειας μόριο Η2Ο.
3. μέρος της ενέργειας που απελευθερώνεται αποθηκεύεται στο ΑΤΡ.
- Ο μηχανισμός που συνθέτει το ΑΤΡ και στη φωτοσύνθεση και στην
οξειδωτική φωσφορυλίωση είναι κοινός και στηρίζεται στο χημειωσμωτικό
φαινόμενο.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης.
Α.
1. Η σύνθεση του GTP αποθηκεύει τόση ενέργεια όση και η σύνθεση του
ΑΤΡ, μιας και είναι του ίδιου τύπου πυροφωσφορικός δεσμός.
2. Η μετατροπή μιας ουσίας σε ακετυλομάδες αποτελεί προϋπόθεση για την
παραπέρα αξιοποίησή της ως πηγή ενέργειας από αερόβιους οργανισμούς.
3. Ο κύκλος των τρικαρβονικών οξέων παίρνει το όνομά του από το γεγονός
ότι δημιουργούνται προϊόντα με 3 καρβοξύλια.
4. Ο κύκλος των τρικαρβονικών οξέων παράγει μόνο 1 άτομο GTP που είναι
λίγη ενέργεια.
5. Η αναπνευστική αλυσίδα λειτουργεί μόνο με Ο στον άνθρωπο.
88
Τόμος Β
Βιοχημεία
6. Η λειτουργία της αναπνευστικής αλυσίδας είναι ανεξάρτητη από την
λειτουργία της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης.
7. Η χλωροφύλλη δρα και ως δότης ηλεκτρονίων (όταν διεγείρεται από φως)
και ως αποδέκτης.
Β.
1. Το ΑΤΡ είναι ένωση υψηλής χημικής ενέργειας
2. ο φορέας των ακετυλομάδων στον κύκλο Krebs είναι το συνένζυμο Α
3. στην αναπνευστική αλυσίδα οξειδώνονται τα συνένζυμα NADH, FADH2.
4. όταν γίνεται αποσύζευξη της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης από την
αναπνευστική αλυσίδα, όλη η ενέργεια απελευθερώνεται με μορφή
θερμότητας.
Γ.Ο ρόλος των κυτοχρωμάτων είναι να μεταφέρουν τα ηλεκτρόνια με
μεταβολή του σθένους του Fe , που αποτελεί μέρος της προσθετικής τους
ομάδας που είναι η αίμη.
Δ. Το χημειωσμωτικό φαινόμενο είναι υπεύθυνο τόσο για τη μετατροπή της
ενέργειας από μια μορφή σε άλλη (η ηλεκτρομαγνητική μετατρέπεται σε
ενέργεια χημικού δεσμού), όσο και την αποθήκευση ενέργειας (με μορφή
πυροφωσφορικού δεσμού στο ΑΤΡ).
Ε.
1. Κύκλος Krebs  παραγωγή CO2
2. χημειώσμωση  διαβάθμιση πρωτονίων
3. Φωτοσύστημα Ι αναγωγή NADP+
4. Φωτοσύστημα ΙΙ  οξείδωση Η2Ο
5. Οξειδωτική φωσφορυλίωση  σύνθεση ΑΤΡ
6. ηλεκτρικό οξύ  σύμπλοκο ΙΙ
ΣΤ. Αν δεν υπήρχαν οι φωτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης, θα
εξαντλούνταν τα διαθέσιμα αποθέματα τροφών από όπου αντλούνται τα
υψιλής ενέργειας ηλεκτρόνια , αν δεν υπήρχε ο μηχανισμός που ξαναστέλνει
τα ηλεκτρόνια ψηλά στην ενεργειακή κλιμακα.
Η. Ο κύκλος Krebs αποτελεί μηχανισμό κλειδί για την ενδιάμεση ανταλλαγή
ύλης, όπως εξάλλου προκύπτει και από το γεγονός ότι όλοι οι αερόβιοι
οργανισμοί έχουν τα κατάλληλα ένζυμα για την κατάλυση των αντιδράσεων.
Συγκεκριμένα ο κύκλος:
1. μεταφέρει ηλεκτρόνια και πρωτόνια σε νικοτιναμιδο- και
φλαβινοσυνένζυμα, που στη συνέχεια αποτελούν τα υποστρώματα της
αναπνευστικής αλυσίδας.
2. παράγει CO2 που εν μέρει αξιοποιείται στον οργανισμό για
καρβοξυλιώσεις και για ρύθμιση του pH του αίματος με μορφή
διττανθρακικών ιόντων.
3. ενδιάμεσα προϊόντα του κύκλου αποτελούν πρόδρομες ενώσεις για τη
σύνθεση σημαντικών μεταβολιτών (αμινοξέων, πορφυρινών, γλυκόζης
κ.α.) και ως εκ τούτου ο κύκλος αποτελεί τον κρίκο που συνδέει μείζονες
καταβολικές και αναβολικές οδούς.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4
89
Τόμος Β
Βιοχημεία
Εισαγωγικά
- Μελετάμε τις μεταβολικές οδούς, με τις οποίες αξιοποιούνται οι
υδατάνθρακες, τα λίπη και οι πρωτεΐνες προκειμένου οι οργανισμοί να
αντλήσουν την ενέργεια που χρειάζονται. Όλες οι διεργασίες οδηγούν άμεσα ή
έμμεσα στην παραγωγή ακετυλομάδων που αποτελούν το καυσιμο του
κύκλου Krebs.
- Μεταβολισμός: το σύνολο των αντιδράσεων που γίνονται στον οργανισμό.
- Καταβολισμός: αντιδράσεις αποικοδόμισης μιας ουσίας.
- Αναβολισμός: αντιδράσεις σύνθεσης.
- Ενδιάμεσος μεταβολισμός: μετατροπή μια ένωσης χαμηλού μοριακού βάρους
σε άλλη ένωση επίσης χαμηλού μοριακού βάρους.
- Ενότητα 4.1: καταβολισμός υδατανθράκων
- Ενότητα 4.2: καταβολισμός λιπιδίων
- Ενότητα 4.3: καταβολισμός πρωτεϊνών.
4.1 Καταβολισμός υδατανθράκων.
- Υδατάνθρακες: αναφέρονται κυρίως σε οξόζες ή δισακχαρίτες και
πολυσακχαρίτες που περιέχουν εξόζες.
- Οξόζες: γλυκόζη, φρουκτόζη (βρίσκονται στον δισακχαρίτη σουκρόζη=
ζάχαρη), και οι γαλακόζη, γαλακτόζη (τις βρίσκουμε στον υδατάνθρακα του
γάλατος) .
- Άμυλο: είναι ο πολυσακχαρίτης όπου τα φυτά αποθηκεύουν τη γλυκόζη.
Διακρίνεται σε:
1. αμυλόζη: γραμμικός πολυσακχαρίτης
2. αμυλοπηκτίνη: διακλαδιζόμενος πολυσακχαρίτης.
- Κυτταρίνη: επίσης πολυσακχαρίτης που αποτελείται από γλυκόζη.
- Γλυκογόνο: πολυσακχαρίτης που αποθηκεύει την περίσσεια της γλυκόζης.
Μοιάζει με την αμυλοπηκτίνη.
- Ομοπολυσακχαρίτες: πολυσακχαρίτες που περιέχουν μόνο ένα είδος σακχάρου
(υδατάνθρακα) όπως γλυκόζη, φρουκτόζη (ινουλίνη), πεντόζες (πεντοζάνες),
Ν-ακετυλογλυκοζαμίνη (χιτίνη), κ.α.
- Ετεροπολυσακχαρίτες: περιέχουν ως επαναλαμβανόμενη μονάδα δισακχαρίτη
που αποτελείται από ουρονικό οξύ και ένα Ν-ακετυλοαμινοσάκχαρο.
Διακρίνονται σε: χονδροϊτίνες, δερματάνες, υαλουρονικό οξύ, κ.α.
4.1.1 Αποικοδόμηση των πολυσακχαριτών.
- Δύο είναι οι σημαντικοί πολυσακχαρίτες από τους οποίους αντλείται η
γλυκόζη που χρειάζεται για τις ενεργειακές ανάγκες:
1. άμυλο τροφών και ενδοκυττάριο γλυκογόνο (για ζώα)
2. ενδοκυττάριο άμυλο (για φυτά).
- Εξωκυττάριοι πολυσακχαρίτες αποικοδομούνται υδρολυτικά. Η παγκρεατική
αμυλάση υδρολύει την αμυλόζη σε μίγμα γλυκόζης και μαλτόζης
(=δισακχαρίτης που αποτελείται από 2 μόρια γλυκόζης). Οι μαλτόζη,
ισομαλτόζη, σουκρόση, και λακτόζη υδρολύονται στους επιμέρους
μονοσακχαρίτες από ειδικές γλυκοσιδάσες (που βρίσκονται στο έντερο).
4.1.2 Φωσφορολυτική διάσπαση πολυσακχαριτών.
- Ενδοκυττάριοι πολυσακχαρίτες: αποικοδομουνται φωσφορολυτικά (και όχι
υδρολυτικά όπως οι εξωκυτταρικοί πολυσακχαριτες). Την αντίδραση την
καταλύουν τα ένζυμα φωσφορυλάσες (του γλυκογόνου ή του αμύλου):
90
Τόμος Β
-
-
Βιοχημεία
Πολυσακχαρίτηςν + Pi  πολυσακχαρίτης ν-1 + γλυκόζη-1-Ρ ,
ν=αριθμός γλυκόζης στο γλυκογόνο ή άμυλο.
Διακλαδίζον ένζυμο ή αμυλο-α(16)γλυκοσιδάση είναι ένζυμο που εκτελεί τα
εξής:
1. στη φωσφορυλάση του γλυκογόνου, λειτουργεί μέχρι να φτάσει σε
απόσταση 4 μορίων γλυκόζης από μια διακλάδωση.
2. μεταφέρει τις 3 από τις 4 γλυκόζες σε κλάδο του ίδιου ή άλλου
γλυκογόνου και μετά υδρολύει τον δεσμό της διακλάδωσης.
Γλυκογονόλυση= ενδοκυττάρια αποικοδόμηση του γλυκογόνου.
4.1.3 Καταβολισμός της γλυκόζης.
- Η γλυκόζη που προκύπτει από την ενδοκυττάρια αποικοδόμηση του
γλυκογόνου ή του αμύλου είναι φωσφορυλιωμένη.
- Καταβολισμός γλυκόζης:
1. Εξωγενής γλυκόζη μπαίνει στα κύτταρα με τη βοήθεια πρωτεϊνώνμεταφορέων (μεταφορείς διευκόλυνσης), όταν η συγκέντρωση της
γλυκόζης είναι πολύ μεγάλη έξω από τα κύτταρα σε σχέση με μέσα. Όταν
η διαφορά δεν είναι σημαντική η είσοδος γίνεται με μεμβρανικούς
πρωτεϊνικούς μεταφορείς που μεταφέρουν Na+.
2. Ακολούθως, η γλυκόζη φωσφορυλιώνεται με δότη φωσφορικών το ΑΤΡ
και καταλύτη το ένζυμο εξοκινάση (στους μύς, εγκέφαλο) ή γλυκοκινάση
(στο ήπαρ).
3. ο καταβολισμός προχωρεί απο το 6-φωσφορυλιώμενο παράγωγο.
- Μεταβολισμός γλυκόζης, ή γλυκολυτική οδός, ή γλυκόλυση: ξεκινά από την 6φωσφορική γλυκόζη και καταλήγει στο πυροσταφυλικό οξύ. Διακρίνονται δυο
φάσεις:
1. συμμετοχή ενώσεων με 6 άτομα C (εξόζες),
2. ενώσεις με 3 C.
- Γλυκολυτική οδός:
φωσφογλυκομουτάση
α-D-γλυκόζη-1-Ρ

α-D-γλυκόζη-6-Ρ (φωσφορυλίωση)
ΑΤΡADP
α-D-γλυκόζη-6-Ρ  α-D-φρουκτόζη-6Ρ
 α-D-φρουκτόζη-1-Ρ-6-Ρ
διυδροξυακετόνη-Ρ + γλυκεριναλδεΰδη 3-Ρ
Pi+NAD+NADH+H+
ΑDΡATP
γλυκεριναλδεΰδη 3-Ρ

γλυκερινικό οξύ 1-Ρ-3-Ρ

γλυκερινικό οξύ 3-Ρ  γλυκερινικό οξύ 2-Ρ +Η2Ο  φωσφοενολ-πυροσταφυλικό
ΑDΡATP
οξύ

Πυροσταφυλικό οξύ
-
Σημειώνουμε:
1. η Γλυκολυτική οδός είναι αναερόβιος μηχανισμός, σε καμιά αντίδραση δεν
παρεμβαίνει Ο.
2. η μετατροπή της γλυκόζης προς 2 πυροσταφυλικά οξέα έχει ως καθαρό
ενεργειακό κέρδος τη σύνθεση 2 ΑΤΡ.
3. το NADH πρέπει να οξειδώνεται για να προχωρήσουν οι αντιδράσεις.
Αντίδραση παραγωγής γαλακτικού οξύ για αερόβιους και αναερόβιους
οργανισμούς: Πυροσταφυλικό οξύ+NADH+H+L-γαλακτικό οξύ + NAD+.
91
Τόμος Β
-
-
-
Βιοχημεία
Αναερόβιος μεταβολισμός της γλυκόζης: μετατροπή της γλυκόζης σε γαλακτικό
οξύ.
Κύριοι μεταβολισμοί του πυροσταφυλικού οξέος-Παραγωγή ακετυλομάδων: το
πυροσταφυλικό οξύ μπορεί να μετατρέπεται :
1. σε οξαλικό και μηλικό οξύ που είναι προϊόντα του κύκλου Krebs (βλ
3.2.2).
2. σε γαλακτικό ή αιθανόλη για να αναγεννηθεί το NAD+ της γλυκόλυσης (βλ
4.1.3).
3. σε αμινοξύ αλανίνη (βλ 5.3).
4. σε ακετυλομάδες με τη μορφή ακετυλο-παραγώγου του συνενζύμου Α:
CH3-CO-COOH+HS-CoA+NAD+  CH3-CO-S-CoA + CO2 + NADH + H+ .
Πυροσταφυλικό οξύ
Ακετυλο-CoA
Η ενεργειακή απόδωση της οξείδωσης της γλυκόζης σε CO2 και Η2Ο: είναι της
τάξεως των 2867kJ/mol. Ο αναερόβιος μεταβολισμός της γλυκόζης δίνει 2
mol ΑΤΡ για κάθε mol γλυκόζης. Από την οξείδωση 2 mol NADH που
δημιουργούνται κατά τη λειτουργία της γλυκολυτικής οδού παίρνουμε 3-5
mol ΑΤΡ. Άλλα 5 mol ΑΤΡ συνθέτονται από την οξείδωση των 2 mol NADH
που ανάγονται κατά τη μετατροπή 2 mol πυροσταφυλικού οξέος σε ακετυλοσυνένζυμο Α. Εαν σε αυτά προσθέσουμε και 20 mol ΑΤΡ του κύκλου Krebs
και της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης μαζεύουμε 30-32 mol ΑΤΡ για κάθε mol
γλυκόζης.
Φαινόμενο Παστέρ: στις αναερόβιες συνθήκες ο ρυθμός της γλυκόζης πεύτει
κατακόρυφα, ενώ στις αερόβιες καταναλύνει πολύ λιγότερη γλυκόζη, για να
κερδίσει το ίδιο ποσό ενέργειας. Αυτό γιατί στον αναερόβιο μεταβολισμό
παράγονται 2mol ΑΤΡ/1 mol γλυκόζης, ενω στον αερόβιο μεταβολισμό 30-32
mol ΑΤΡ/1 mol γλυκόζης.
4.2 Καταβολισμός των λιπιδίων
4.2.1 Τα είδη των λιπιδίων.
- Λιπίδια ή λιποειδή: ενώσεις που εκχυλίζονται από βιολογικές πηγές με μη
πολικούς διαλύτες, όπως ο αιθέρας , το βενζόλιο, το χλωροφόρμιο, κα. Είναι
υδρόφοβα μόρια και κατατάσονται στις εξής κατηγορίες:
1. λιπαρά οξέα και τριγλυκερίδιά τους που λέγονται και λίπη.
2. φωσφολιπίδια ή φωσφολιποειδή: είναι παράγωγα της φωσφορικής
γλυκερίνης ή φωσφορικής αφιγκοσίνης (βλ παρακάτω τις κατηγορίες
τους).
3. γλυκολιπίδια ή γλυκολιποειδή.
4. αλειφατικές αλκοόλες και κήρους.
5. παράγωγα ισοπροπενίου: περιλαμβάνει τα τερπέρνια, καροτένια και τα
στεροειδή (πχ χοληστερίνη).
- Σύμπλοκα λιπίδια: περιέχουν περισσότερο από ένα φωσφορολιπίδια,
γλυκολιπίδια, τριγλυκερίδια κ.α.
- Κατηγορίες λιπαρών οξέων:
1. κορεσμένα CH3(CH2)νCOOH, ν=4-22 (άρτιο αριθμό C).
2. ακόρεστα με έναν ή περισσότερους (πολυακόρεστα) διπλούς δεσμούς,
όπως το ελαϊκό οξύ: CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH. Τα πολυακόρεστα
λιπαρά είναι διαιτητικά απαραίτητα
- Ιδιότητες Λιπαρών οξέων (λίπη):
1. περιέχουν άρτιο αριθμό C.
92
Τόμος Β
-
-
-
Βιοχημεία
2. σπανια περιέχουν υποκαταστάτες (πχ μεθυλομάδες, υδροξυλομάδες κλπ).
3. σπάνια βρίσκονται ελεύθερα (μη εστεροποιημένα). Συνήθως αποτελούν
συστατικά σύνθετων λιπιδίων που εστεροποιούνται μέσω αμινομάδων ή
καρβοξυλομάδων.
Κατηγορίες φωσφορολιπιδίων:
1. φωσφατιδικό οξύ: Όταν τα –ΟΗ της φωσφορικής γλυκερίνης
εστεροποιηθούν με λιπαρά οξέα.
2. φωσφογλυκερίδια: είναι εστέρες του φωσφατιδικού οξέος με αζωτούχες
ενώσεις (χολίνη, αιθανολαμίνη, ή σερίνη) και περιέχουν 16-20 C
3. Ειδικότερα λεκιθίνες λέγονται τα φωσφογλυκερίδια που περιέχουν χολίνη.
4. λυσολεκιθίνη και λυσοφωσφογλυκερίδιο: όταν λείπει το ένα λιπαρό οξύ
από τα δυο προηγούμενα.
5. Φωσφοϊνοσιτίδια: παράγωγα του φωσφατιδικού οξέος με ινοσιτόλη.
6. σφιγκομυελίνες: αποτελούνται από σφιγκοσίνη εστεροποιημένη με
φωσφορυλχολίνη και ένα λιπαρό οξύ.
Λιποπρωτεΐνες: πρωτεϊνικά σύμπλοκα που είναι διαλυτά στο αίμα. Τα λιπίδια
είναι διαλυτά στο αίμα και παραμένουν κάποιο χρόνο στο αίμα για να
κατανεμηθούν, αποθηκευτούν και μεταβολιστούν. Οι λιποπρωτεΐνες
κατατάσσονται σε :
1. VLDL=very low desnsity lipoproteins
2. LDL=low density lipoproteins
3. HDL=high density lipoproteins.
Όσο χαμηλότερης πυκνότητας η λιποπρωτεΐνη τόσο μεγαλύτερο το ποσοστό
των λιπιδίων που φέρει. Οι πολύ χαμηλής πυκνότητας λιποπρωτεΐνες
(ρ=1.006-1.019 g/ml) μεταφέρουν ουδέτερα λίπη, οι υψηλής πυκνότητας
(ρ=1.063-1.21 g/ml) αποτελούνται από φωσφολιπίδια και χοληστερόλη.
4.2.2 Αποικοδόμηση σύνθετων λιπιδίων.
- Τα σύνθετα λιπίδια αποικοδομούνται υδρολυτικά. Τα τριγλυκερίδια
αποικοδομούνται από λιπάσες. Τα φωσφογλυκερίδια υδρολύονται από
φωσφολιπάσες. Οι σφιγκομυελίνες από σφιγκομυελινάσες.
- Η μεταβολική τύχη της γλυκερόλης: ένα από τα κύρια προϊόντα της
υδρόλυσης των ουδέτερων λιπών και των φωσφογλυκεριδίων είναι η
γλυκερόλη ή γλυκερίνη. Για να αξιοποιηθεί παραπέρα η γλυκερόλη
φωσφορυλιώνεται από ΑΤΡ και ακολούθως είτε χρησιμοποιείται στη σύνθεση
νέων φωσφογλυκεριδίων, είτε οξειδώνεται και μετατρέπεται σε φωσφορική
διυδροξυακετόνη: γλυκερόλη+ΑΤΡ φωσφορική διυδροξυακετόνη+ADP.
- Η μεταβολική τύχη των λιπαρών οξέων: τα λιπαρά οξέα είναι η πιο σημαντική
πηγή αποθήκευσης ενέργειας με μορφή τριγλυκεριδίων. Δεν υπάρχει όριο
υδατανθράκων στην αποθήκευση λίπους, όπως συμβαίνει στο γλυκογόνο. Ο
μεταβολισμός τους έχει ως:
1. προέρχονται από την υδρόλυση των τριγλυκεριδίων, μπαίνουν στην
κυκλοφορία του αίματος, όπου συμπλέκονται με την πρωτεΐνη αλβουμίνη
και κυκλοφορούν μέχρι να διαχυθούν στα κύτταρα.
2. Στα κύτταρα μετατρέπονται σε παράγωγα του συνενζύμου Α:
R-COOH+ATP+HS-CoAR-CO-S-CoA+AMP+PPi
3. το πυροφωσφορικό PΡi υδρολύεται σε ορθοφωσφορικά Pi: PPi+H2O2Pi
4. μετατροπή των λιπαρών οξέων σε ακυλοπαράγωγα του συνενζύμου Α,
δηλ ακετυλο-συνένζυμο Α.
93
Τόμος Β
Βιοχημεία
-
β-οξείδωση: είναι η οξείδωση του β ατόμου C του λιπαρού οξέος. Σε κάθε
κύκλο της β-οξείδωσης ανάγεται ένα φλαβινοσυνένζυμο και ένα
νικοτιναμιδοσυνένζυμο. Η οξείδωση αυτών των συνενζύμων στην
αναπνευστική αλυσίδα σε συνδιασμό με την οξειδωτική φωσφορυλίωνση έχει
αποτέλεσμα την σύνθεση 1.5 και 2.5 ΑΤΡ αντίστοιχα. Έτσι σε κάθε κύκλο της
β-οξείδωσης έχουμε σύνθεση 4 ΑΤΡ. Η μετατροπή της ακετυλομάδας σε
CO2+H2O αποδίδει 10 ΑΤΡ (βλ 3.4). Κατά την πλήρη οξείδωση ενός λιπαρού
οξέος, πχ του παλμιτικού με 16 C, θα απαιτηθούν 7 κύκλοι β-οξείδωσης για τη
διάσπαση σε 8 ακετυλομάδες, και το συνολικό ΑΤΡ θα είναι 7x4+8x10=108
μόρια.
- Η μεταβολική τύχη της περίσσειας του ακετυλο-συνενζύμου Α. Παραγωγή
κετονοσωμάτων: η κύρια μεταβολική τύχη του ακετυλο-συνενζύμου Α στους
αερόβιους οργανισμούς είναι να οξειδώνεται η ακετυλομάδα σε CO2+H2O
στον κύκλο Krebs σε συνδιασμό με την αναπνευστική αλυσίδα. Όταν όμως ο
κύκλος Krebs δεν επαρκεί, απελευθερώνονται λιπαρά οξέα από τα αποθέματα
λίπους. Τα λιπαρά οξέα με την είσοδό τους στα κύτταρα αποικοδομούνται
μέσω β-οξείδωσης και έτσι υπάρχει επάρκεια ακετυλομάδων για την
αντιμετώπιση ενεργειακών αναγκών.
- Γλυκονεογένεση: ο εγκέφαλος τροφοδοτείται μόνο με γλυκόζη και όχι με
λιπαρά οξέα. Αν δεν φτάνει όμως, το ήπαρ αντλεί οξαλικό οξύ από τον κύκλο
Krebs με τον μηχανισμό της γλυκονεογένεσης (βλ 5.1).
4.2.3 Η μεταβολική τύχη της χοληστερόλης.
- Χοληστερόλη: στεροειδές από όπου προέρχονται οι φυλετικές ορμόνες.
- Ο οργανισμός μετατρέπει την χοληστερόλη σε χολικά οξέα, που δημιουργούν
υποκατεστημένα αμίδια με γλυκίνη ή ταυρίνη και αποβάλλονται μέσω της
χολής ως χολικά άλατα (Na, Κ, κλπ).
4.3 Καταβολισμός πρωτεϊνών.
- Η αποικοδόμηση πρωτεϊνών γίνεται υδρολυτικά με διάσπαση πεπτιδικών
δεσμών.
- Πρωτεϊνάσες ή πρωτεάσες: ένζυμα που υδρολύουν τις πρωτεΐνες και
εκρίνονται από το πάγκρεας (τρυψίνη, χυμοτρυψίνες) και από το στομάχι
(πεψίνη). Τα προϊόντα της υδρόλυσης είναι αμινοξέα και πεπτίδια.
- Πεπτιδάσες: βρίσκονται στο έντερο και διασπουν πεπτιδικούς δεσμούς.
- Ενδοκυττάρια αποικοδόμηση πρωτεϊνών: γίνεται από πρωτεολικά συστήματα.
Οι πρωτεΐνες μπαινουν στο κύτταρο με φαγοκύττωση, αποικοδομούνται μέσα
στα λυσοσωμάτα από πρωτεϊνάσες (καθεψίνες)
- Χρόνος ημιζωής ενδικυτταρικών πρωτεϊνών: είναι ο χρόνος για την
αποικοδόμηση των μισών μορίων μια πρωτεΐνης και διαρκεί από λεπτά έως
μέρες.
4.3.1 Η μεταβολική τύχη των αμινοξέων.
- Απαμίνωση αμινοξεων: από τα αμινοξεα αφαιρείται πρώτα η α αμινομάδα.
Υπάρχουν οι εξής αντιδράσεις:
1. τρανσαμίνωση: το αμινοξύ αντιδρά με το α-κετογλουταρικό οξύ και δίνει
κετοξύ και γλουταμινικό οξύ. Το α κετογλουταρικό οξύ αναγεννάται με
οξείδωση του γλουταμινικού οξέος από τη γλουταμινική δεϋνδρογονάση:
L-αμινοξύ + α-κετογλουταρικό οξύ  α-κετοξύ + L-γλουταμινικό οξύ
L-γλουταμινικό οξύ + NAD++H2O α-κετογλουταρικό οξύ+NADH+H++NH3
Συνολικά αθροίζοντας:
94
Τόμος Β
-
-
-
Βιοχημεία
L-αμινοξύ + NAD++H2O  α-κετοξύ+NADH+H++NH3
2. κατάλυση από τις οξειδάσες των L-αμινοξέων, με απευθείας
απελευθέρωση αμμωνίας από το αμινοξύ:
L-αμινοξύ + FMN + H2O κετοξύ + FMNH2 + ΝΗ3 .
Η μεταβολική τύχη της αμμωνίας. Ο κύκλος της ουρίας: Οι οργανισμοί
χρειάζονται κάποια ποσά αμμωνίας για τη σύνθεση αμινοξέων. Η αμμωνία
που παράγεται από την απαμίνωση των αμινοξέων και απαντάται με μορφή
NH4+ είναι τοξική και αποβάλεται με μορφή ουρικού οξέος ή ουρίας. Η ουρία
προκύπτει από υδρόλυση του αμινοξέος αργινίνη που συνθέτεται στη
μεταβολική οδό κύκλος της ουρίας.
Ανάλογα με την μορφή αποβολής της αμμωνίας οι οργανισμοί διακρίνονται σε
αμμωνιοτελικούς, ουρικοτελικούς, ουριοτελικούς.
Η μεταβολική τύχη του ανθρακικού σκελετού των αμινοξέων: η απομάκρυνση
της αμινομάδας μετατρέπει το αμινοξύ σε κετοξύ. Από εκεί και πέρα το κάθε
αμινοξύ (20 διαφορετικών τύπων) ακολουθεί την δική του διαδρομή. Άλλα
μετατρέπονται σε πυροσταφυλλικό οξύ, άλλα σε ακετυλο- ή ακετο-ακετυλοπαράγωγο του συνενζύμου Α. Τα αμινοξέα αυτά (πχ αλανίνη, σερίνη,
γλουταμινικό οξύ, ασπαραγινικό οξύ κ.α.) καλούνται γλυκογενετικά. Το
οξαλικό και το πυροσταφυλλικό μετατρέπονται σε γλυκόζη.
Κετογενετικά: είναι τα κετονοσώματα που μετατρέπονται σε κετονοσώματα
(ακετυλο-CoA και ακετο-ακετυλο-CoA). Τέτοιο είναι η λευκίνη. Μπορούν και
να μεταβολιστούν μέσω κύκλου Krebs, ή και να αποθηκευτούν σε λίπος.
Γλυκογενετικά-κετογενετικά: όσα αμινοξέα μετατρέπονται σε πυροσταφυλικό
οξύ ή άλλο προϊόν του κύκλου Krebs. Τέτοια είναι η φαινυλαλανίνη και η
τυροσίνη.
Σύνοψη
- Για να δώσουν οι τροφές ενέργεια πρέπει να μεταβολιστούν σε ακετυλομάδες
(βλ σχ 3.1) που ακολούθως μεταβολίζονται στον κύκλο του Krebs σε CO2. Τα
αναγωγικά δυναμικά, που προκύπτουν έτσι, ανάγουν το Ο2 σε Η2Ο και μέρος
της ενέργειας που απελευθερώνεται κατά την μεταφορά των ηλεκτρονίων
στην αναπνευστική αλυσίδα αποθηκεύεται σε δεσμούς υψηλής ενέργειας στο
ΑΤΡ.
- Οι τροφές μας, δηλ οι υδατάνθρακες, λίπη και πρωτεΐνες (δηλ τα αμινοξέα)
μετατρέπονται σε ακετυλομάδες.
- Μεταβολικά κανάλια:
1. γλυκόλυση
2. κύκλος Krebs
3. β-οξείδωση.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης.
Α.
1. Ενδιάμεσος μεταβολισμός είναι μετατροπή μιας χαμηλού μορικού βάρους
ένωσης σε μια άλλη επίσης χαμηλού μοριακού βάρους.
2. Η κυτταρίνη, το άμυλο και το γλυκογόνο περιέχουν μόνο γλυκόζη.
3. Ο άνθρωπος δεν πέπτει την κυτταρίνη, διότι δεν έχει στο γαστρεντερικό
του σωλήνα κυτταρινάσες ,δηλ ένζυμα που υδρολύουν τον γλυκοζιτικό
δεσμό με τον οποίο τα μόρια της γλυκόζης είναι συνδεδεμένα στη
κυτταρίνη.
95
Τόμος Β
Βιοχημεία
4. Γλυκογονόλυση= ενδοκυττάρια αποικοδόμηση του γλυκογόνου που
γίνεται φωσφορολυτικά.
5. Η οδός των φωσφορικών πεντοζολών μεταβολίζει την γλυκόζη σε τριόζη
και CO2 και όχι σε 2 τριόζες όπως η γλυκολυτική οδός.
6. Η φωσφορική διυδροξυακετόνη είτε προέρχεται από τον μεταβολισμό της
γλυκερόλης είτε από τον μεταβολισμό της γλυκόζης, μεταβολίζεται μέσω
γλυκολυτικής οδού.
7. Οι καλά διατρεφόμενοι άνθρωποι δεν συνθέτουν κετονοσώματα.
8. Οι πρωτεΐνες αποικοδομούνται μόνο υδρολυτικά από τις πρωτεάσες. Δεν
φωσφορολύονται.
9. Τα ενδιάμεσα προϊόντα του κύκλου της ουρίας είναι μονο τα αμινοξέα.
10. Ο ανθρακικός σκελετός των γλυκογενετικών αμινοξέων μετατρέπεται σε
ακετυλομάδες. Αυτό γιατί μπορεί να ενσωματωθεί σε γλυκόζη η οποία
μετετρέπεται σε ακετυλομάδες. Άρα και τα γλυκογενετικά αμινοξέα
μπορούν να μετατραπούν σε ακετυλομάδες. Αυτός είναι ο μηχανισμός που
αντλούμε ενέργεια από τις πρωτεΐνες.
Β.
1. οι διαιτητικά πιο σημαντικοί δισακχαρίτες είναι η σουκρόζη και η
λακτόζη. Και οι δυο περιέχουν ως ένα από τα δυο συστατικά τους την
εξόλη γλυκόζη.
2. Ο άνθρωπος δεν έχει στο γαστρεντερικό του σωλήνα ένζυμο που να
υδρολύει τον β(14)γλυκοζιτικό δεσμό.
3. Το οινόπνευμα δημιουργείται κατά τον αερόβιο μεταβολισμό της
γλυκόζης.
4. Το γαλακτικό οξύ είναι το κύριο προϊόν του μεταβολισμού του
πυροσταφυλικού οξέος.
5. Ένα λιπαρό οξύ μπορεί να μικρύνει κατά 1 άτομο C με τη διαδικασία της
α-οξείδωσης.
6. Τα χνώτα όταν πεινάμε μυρίζουν ακετόνη.
7. Το ένζυμο το οποίο από το πεπτύδιο H2N-gly-tyr-ans-ala-COOH
απελευθερώνει αλατίνη καλείται καρβοξυπεπτιδάση.
8. Ο άνθρωπος είναι ουρικοτελικός οργανισμός.
9. Το ασπαραγινικό οξύ το οποίο με τρανσαμίνωση μετατρέπεται σε
οξαλοξικό οξύ είναι ένα κετογενετικό αμινοξύ.
10. Οξειδάσες των L-αμινοξέων υπάρχουν μόνο σε αναερόβιους πργανισμούς.
Γ.
1. Η γωσφατιδυλοχολίνη είναι μια Λεκιθίνη, και έχει 0 φορτίο.
2. Η φωσφατιδυλοσερίνη, έχει αρνητικό φορτίο
3. Η τριπαλμιτίνη είναι τριγλυκερίδιο και δεν έχει ιονιζόμενες ομάδες.
Δ. Αντίδραση ενζυμικής ή όξινης υδρόλυσης του διπεπτιδίου γλυκυλ-αλανίνη:
γλυκυλ-αλανίνη + Η2Ο  γλυκίνη+αλανίνη
Ε. Γλυκοχολικό οξύ: Η2N-CH2-CH2-SO3H.
ΣΤ. Έχουμε 10gr καπροϊκό οξύ (λιπαρό οξύ με 6 C) και 10 gr γλυκόζης. Πόση
ενέργεια θα αποθηκευτεί σε mol ΑΤΡ από την πλήρη οξείδωση των δυο αυτών
ενώσεων στον οργανισμό μας σε CO2 και H2O;
96
Τόμος Β
Βιοχημεία
Τα 10 gr καπροϊκού οξέος (ΜΒ=116) είναι 0.086 mol, ενώ τα 10 gr γλυκόζης
(ΜΒ=180) είναι 0.056 mol. Κατά την οξείδωση 1 mol καπροϊκού οξέος
συνθέτονται 36 mol ΑΤΡ, ενώ κατά την οξείδωση 1 mol γλυκόζης συνθέτονται
30-32 mol ΑΤΡ. Έτσι κατά την οξείδωση 10 gr (0.086 mol) καπροϊκού οξέος
θα συντεθούν 3.1 mol ΑΤΡ, ενώ κατά την οξείδωση 10 gr (0.056 mol)
γλυκόζης θα συντεθούν 1.7-1.8 mol ΑΤΡ.
Ζ. Δεν υπάρχει καμια διαφορά στον μεταβολισμό των ακετυλομάδων που
προέρχονται από υδατάνθρακες και στον μεταβολισμό των ακετυλομάδων που
προέρχονται από λίπη και αμινοξέα.
Η. Για την ενεργοποίηση του παλμιτικού οξέος (16 C) και του στεατικού
οξέος (18 C), θα καταναλωθούν από 2 μόρια ΑΤΡ, ανεξάρτητα από τον αριθμό
ατόμων C που έχει ένα λιπαρό οξύ.
Θ. Περισσότερη ενέργεια μας τη δίνει η γλυκόζη που προέρχεται από την
φωσφορόλυση του γλυκογόνου, σε σχέση με την γλυκόζη που προέρχεται από
την την υδρόλυση του αμίλου. Ο λόγος είναι ότι προκειμένου η γλυκόζη να
μεταβολιστεί στη γλυκολυτική οδό, ή ακόμα και στην οδό των φωσφορικών
πεντοζών, πρέπει πρώτα να φωσφορυλιωθεί. Ελεύθερη γλυκόζη, όμως, σαν
αυτή που προέρχεται από την υδρόλυση του αμύλου, φωσφορυλιώνεται μόνο
με την κατανάλωση ΑΤΡ, ενώ αντίθετα γλυκόζη που προέρχεται από τη
φωσφορόλυση του γλυκογόνου είναι ήδη φωσφορυλιωμένη και έτσι ο
οργανισμός ωφελειται ένα μόνο μόριο ΑΤΡ για κάθε μόριο γλυκόζης.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5
Εισαγωγικά
- Βασικές διεργασίες με τις οποίες οι οργανισμοί συνθέτουν υδατάνθρακες,
λιπίδια και αμινοξέα, καθώς και μόρια ενέργειας.
- Οι οργανισμοί συνθέτουν μέρος ή όλα των συστατικών του σώματος και
αποθηκεύουν ενώσεις που είναι πηγές ενέργειας.
- Ο άνθρωπος δεν μπορεί να συνθέσει αρκετά από τα πρωτεϊνικά αμινοξέα του,
ορισμένα ακόρεστα λιπαρά οξέα, και τις βιταμίνες.
- Άλλοι οργανισμοί χρειάζονται μια μόνο ανθρακική ένωση για να συνθέσουν ,
ενώ άλλοι πάρα πολλές.
- Υπάρχει μόλις ένας μηχανισμός σύνθεσης πρωτεϊνων και μερικοί μόλις για τη
σύνθεση υδατανθράκων και λιπιδίων.
- Ενότητες:
5.1 Βιοσύνθεση υδατανθράκων
5.2 Βιοσύνθεση λιπιδίων
5.3 Βιοσύνθεση αμινοξέων.
5.1 Βιοσύνθεση υδατανθράκων.
- Τα φυτά συνθέτουν υδατάνθρακες, ενώ τα ζώα τους προσλαμβάνουν με τροφή
από τα φυτά, αλλά έχουν και μηχανισμούς σύνθεσης και αποθήκευσης
υδατανθράκων.
97
Τόμος Β
Βιοχημεία
5.1.1 Γλυκονεογένεση. Σύνθεση υδατανθράκων από μη υδατανθρακούχες ενώσεις.
- Γλυκονεογένεση: ειναι η αντιστροφή της γλυκολυτικής οδού με δυο
παραλλαγές. Όταν οι οργανισμοί δεν προσλαμβάνουν επαρκή
υδρογονάνθρακες από τις τροφές, διαθέτουν μηχανισμό σύνθεσης
(γλυκονεογένεση) της γλυκόζης από μη υδατανθρακούχες πηγές, όπως τα
γλυκογενετικά αμινοξέα.
- Οι δυο αμφίδρομες αντιδράσεις της γλυκολυτικής οδού (βλ. 4.1.3):
1. μετατροπή του φωσφοενολπυροσταφυλικού οξέος σε πυροσταφυλικό οξύ,
(ευθεία) από εκεί σε οξαλοξικό οξύ και πάλι πίσω σε
φωσφοενολπυροσταφυλικο οξύ (αντίστροφα).
2. η φωσφορυλίωση της 1-φωσφορικής φρουκτόζης σε 1,6-διφωσφορική
φρουκτόζη.
- Φαύλος κύκλος: είναι η υδρόλυση ενός ΑΤΡ σε ADP και Pi σε κάθε
περιστροφή του κύκλου, όταν ο οργανισμός χρειάζεται ενέργεια. Όλη η
διαδικασία κατευθύνεται προς την κατεύθυνση της γλυκόλυσης όταν ο
οργανισμός χρειάζεται ενέργεια, είτε στην κατεύθυνση της γλυκονεογένεσης
όταν διαθέτει ικανοποιητικά αποθέματα ΑΤΡ. Η κατεύθυνση καθορίζεται από
ένζυμα.
5.1.2 Αναγωγή CO2 και δημιουργία υδατάνθρακα με τον φωτοσυνθετικό μηχανισμό.
- Η σύνθεση ΑΤΡ γίνεται από ADP και Pi (βλ. 3.5).
- Φωτεινή αντίδραση της φωτοσύνθεσης (ή φωτοεξαρτώμενη): Η αναγωγή
NADP+ δίνει NADPH+H+ με φωτοσύνθεση, όπου η φωτεινή ενέργεια
ανεβάζει σε υψηλότερη στάθμη τα ηλεκτρόνια που αποσπώνται από την
οξείδωση του ύδατος και τα μεταφέρει στο NADP+. Ενέργεια μεταφέρεται και
στον πυροφωσφορικό δεσμό του ΑΤΡ.
- Σκοτεινή (μη φωτοεξαρτώμενη) αντίδραση της φωτοσύνθεσης-κύκλος Calvin:
χωρίζεται σε 3 φάσεις:
1. καθήλωση του CO2 σε οργανικό μόριο με με αντίδραση με μια πεντόζη
2. αναγωγή του προϊόντος της αντίδρασης αυτής
3. αναγέννηση της πεντόζης.
- Καθήλωση του CO2 : χρησιμοποιείται ένζυμο η 1,5 διφωσφορική ριβουζόλη
1,5 διφωσφορική διβουζόλη + CO2 + H2Ο  3-φωσφογλυκερινικό οξύ.
- Αναγωγή του 3-φωσφογλυκερινικού οξέος: το προϊόν της αντίδρασης
φωσφορυλιώνεται και ακολούθως ανάγεται,
3-φωσφογλυκερινικό οξύ + ΑΤΡ  1,3-διφωσφογλυκερινικό οξύ
1,3-διφωσφογλυκερινικό οξύ+NADPH+H+ 3-φωσφογλυκεριναλδεΰδη+ NADP++Pi
- Αναγέννηση της πεντόζης: Η ενσωμάτωση του CO2 στο μόριο 3φωσφογλυκερινικό οξύ, κατα τη φωτοσύνθεση, καταναλώνει μια πεντόζη
(1,5- διφωσφορική ριβουζόλη). Ξεκινώντας με 3 πεντόζες και 3 CO2
προκύπτει μια τριόζη.
5.1.3 Μετατροπή της γλυκόζης σε γαλακτόζη και σύνθεση δισακχάρων.
- Οι πιο σημαντικές εξόζες είναι η γλυκόζη, φρουκτόζη και γαλακτόζη.
Παράγονται στον κύκλο Calvin (στα φυτά) και στη γλυκονεογένεση (στα
έμβια).
- Γαλακτόζη: προέρχεται από την γλυκόζη.
- Η γλυκόζη μετατρέπεται σε σακχαρονουκλεοτίδιο (UDP-γλυκόζη):
98
Τόμος Β
-
Βιοχημεία
1-φωσφογλυκόζη + UTP  UDP-γλυκόζη + PPi , (UTP= ουριδινοδιφωσφο)
Η γλυκοσυλ-ομάδα του σακχαρονουκλεοτιδίου επιμεριώνεται προς
γαλακτοσυλ-ομάδα :
UDP-γλυκόζη  UDP-γαλακτόζη
Σύνθεση δισακχαριτών:
UDP-γαλακτόζη+γλυκόζη λακτόζη+UDP
Σύνθεση σουρκόζης (=ζάχαρη):
UDP-γλυκόζη + φρουκτόζη-6-Ρ  σουρκόζη-6-Ρ + UDP
Σουρκόζη-6-Ρ + Η2Ο  σουρκόζη + Pi
5.1.4 Βιοσύνθεση γλυκογόνου και αμύλου.Αποθήκευση ενέργειας.
- Στα φυτά, η περίσσεια της γλυκόζης στο φωτοσυνθετικό μηχανισμό
αποθηκεύεται ως άμυλο.
- Στα ζώα, η περισσεια γλυκόζης αποθηκεύεται στο γλυκογόνο, που συνθέτεται
από το ένζυμο συνθάση του γλυκογόνου:
UDP-γλυκόζη+γλυκογόνον  γλυκογόνον-1 + UDP,
ν=αριθμός μορίων
γλυκόζης εντός γλυκογόνου.
- Σύνθεση αμίλου: με παρόμοιο μηχανισμό όπως του γλυκογόνου, με δότη
γλυκοσυλ-ομάδων είναι η ADP-γλυκόζη.
- Η αποθήκευση της γλυκόζης με μορφή αμύλου ή γλυκογόνου εξυπηρετεί τις
μεσοπρόθεσμες ενεργειακές ανάγκες. Οι άμεσες (για λίγα λεπτά) ενεργειακές
ανάγκες εξυπηρετούνται με αποθήκευση ενέργειας στον πυροσταφυλικό
δεσμό του ΑΤΡ. Για μεσοπρόθεσμες ενεργειακές ανάγκες χρησιμοποιείται
λίπος.
5.2 Βιοσύνθεση λιπιδίων.
- Τα λιπίδια διαλύονται σε μη πολικούς διαλύτες.
- Τα λιπαρά οξέα εστεροποιούνται στα λιπίδια.
5.2.1 Βιοσύνθεση λιπαρών οξέων.
- Το ακετυλο-συνένζυμο Α παράγεται από πυροσταφυλικό οξύ (προϊόν
υδατανθράκων κατά τη γλυκόλυση) και τα λιπαρά οξέα. Από το ακετυλοσυνένζυμο Α παράγονται λιπαρά οξέα, εντός κυτταροπλάσματος.
- Η αποκαρβοξυλίωση του πυροσταφυλικού οξέος και η β-οξείδωση των
λιπαρών οξέων γίνονται στα μιτοχόνδρια.
- Το κιτρικό οξύ είναι ο κύριος φορέας των ακετυλομάδων (ακυλο-παράγωγα
του συνενζύμου Α) , που δημιουργείται κατά τον κύκλο Krebs εντος
μιτοχονδρίου, και βγαίνοντας από το κυτταρόπλασμα μετατρέπεται σε
οξαλοξικό οξύ :
Κιτρικό οξύ + ΑΤΡ + HS-CoA  CH3CO-S-CoA + οξαλοξικό οξύ + ADP+Pi
- Η σύνθεση λιπαρών οξέων απαιτεί διττανθρακικά, που αντιδρούν με ακετυλοσυνένζυμο Α, με κατανάλωση ΑΤΡ και παράγουν μηλονυλο-συνένζυμο Α
ενσωματώνοντας CO2:
CH3-CO-S-CoA+HCO3- + H+ +ATP  HOOC-CH2-CO-S-CoA +ADP+Pi
Ακετυλο-CoA
μηλονυλο-CoA
- Ακυλοφέρουσα πρωτεΐνη: ACP-SH ή αναλυτικά ACP-φωσφορικό-παντοθενικό-NH-CH2-CH2-SH.
- Φόρτιση μιας ακετυλομάδας στην ακυλοφέρουσα πρωτεΐνη:
CH3-CO-S-CoA + ACP-SH  ACP-S-OC-CH3 + HS-CoA
99
Τόμος Β
Βιοχημεία
-
Ακολούθως η ακετυλομάδα μεταφέρεται στην σουλφυδρυλομάδα της
κυστεΐνης που βρίσκεται στο ενεργό κέντρο (Ε)
ACP-S-OC-CH3 + E-SH  ACP-SH + E-S-OC-SH3
Η δε ακυλοφέρουσα πρωτεΐνη φορτίζεται με μια μηλονυλομάδα
HOOC-CH2-CO-S-CoA +ACP-SH  ACP-A-OC-CH2-COOH + HS-CoA
- Στη συνέχεια όλες οι αντιδράσεις γίνονται στην ακυλοφέρουσα πρωτεΐνη:
ACP-S-OC-CH2-COOH + E-S-OC-CH3  ACP-S-OC-CH2-CO-CH3+CO2+E-SH
Όπου απελευθερώνεται στο CO2 που υπήρχε στην μηλονυλομάδα με μορφή
διττανθρακικών.
- Ακολουθεί μια αλληλουχία αναγωγής-αφυδάτωσης-αναγωγής με μετατροπή
της ακετυλομάδας σε βουτυρυλομάδα
ACP-S-OC-CH2-CO-CH3+NADPH+H+  ACP-S-OC-CH2-CHOH-CH3+NADP+
ACP-S-OC-CH2-CHOH-CH3ACP-S-OC-CH=CH-CH3+H2O
ACP-S-OC-CH=CH-CH3+NADPH+H+  ACP-S-OC-CH2-CH2-CH3+NADP+
- Μετά γίνονται διάφορες αντιδράσεις προς σύνθεση παλμιτικού οξέος. Δότης
Η στις αναγωγικές αντιδράσεις είναι το NADPH σε αντίθεση με την βοξείδωση που είναι το NAD.
- Απαραίτητα λιπαρά οξέα: λινολεϊκό, λινολενικό (που μετατρέπεται σε
αραχιδονικό οξύ, βλ. 4.2).
5.2.2 Βιοσύνθεση τριγλυκεριδίων –Αποθήκευση ενέργειας.
- Όσα λιπαρά οξέα δεν εστεροποιούνται σε φωσφατίδια, σφιγκομυελίνες,
στεροειδή, πρωτεΐνες κτλ. μετατρέπονται σε τριακυλο-γλυκερίδια και
αποθηκεύονται.
- Σύνθεση τριγλυκεριδίων:
1. φωσφορική γλυκερόλη (λαμβάνεται από φωσφορυλίωση της γλυκερόλης)
όπου εστεροποιούνται 2 λιπαρά οξέα και δημιουργείται φωσφατιδικό οξύ.
2. Το φωσφατιδικό οξύ αποφωσφορυλιώνεται από μια φωσφατάση και μετά
εστεροποιείται ένα τρίτο λιπαρό οξύ. Δότης λιπαρών οξέων είναι τα
ακυλο-παράγωγα του συνενζύμου Α.
- Τα τριγλυκερίδια αποθηκεύονται στον λιπώδη ιστό και υδρολύονται προς
παραγωγή ενέργειας, όταν τα αποθέματα του γλυκογόνου (που κρατούν μόνο
24 ώρες) εξαντληθούν.
- Στη σύνθεση τριγλυκεριδίων απελευθερώνεται ποσότητα συνενζύμου Α.
5.2.3 Βιοσύνθεση φωσφογλυκεριδίων.
- Φωσφογλυκερίδια: συστατικά των μεμβρανών και συνθέτονται σε όλα τα
κύτταρα (βλ 4.2.1). Σημαντικά συστατικά τους είναι το φωσφατιδικό οξύ και
μια αζωτούχα ένωση ή παράγωγο της ινοσιτόλης.
- Σύνθεση φωσφογλυκεριδίου: φωσφατιδικό οξύ ή ινοσιτόλη ενεργοποιείται με
το νουκλεοτίδιο κυτιδινο-τριφωσφορικό οξύ – CTP (όπως οι υδατάνθρακες με
το ουριδινο-τριφωσφορικό οξύ – UTP).
- Το CTP ενεργειακά είναι ισοδύναμο του ΑΤΡ, αλλά αντι για αδενίνη περιέχει
κυτοσίνη (βλ. 6.1).
- Σύνθεση φωσφατιδυλοχολίνης (λεκιθίνη):
Χολίνη + ΑΤΡ  φωσφοχολίνη + ADP
Φωσφοχολίνη + CTP  CDP-χολίνη + Ppi
CDP-χολίνη + διακυλογλυκερόλη  φωσφατιδυλοχολίνη + CMP
100
Τόμος Β
-
Βιοχημεία
Σύνθεση φωσφατιδυλοϊνοσιτόλη: μετατρέπεται το φωσφατιδικό οξύ σε CDPδιγλυκερίδιο και προστίθεται η πολική ομάδα.
5.2.4 Βιοσύνθεση ισοπρενοειδών λιπιδίων.
- β-υδροξυ-β-μεθυλο-γλουταρυλο-συνένζυμο Α:
HOOC-CH2-(OH)C(CH2)-CH2-CO-S-CoA (βλ. 4.2.24).
- Από την ένωση αυτή προκύπτει το πυροφωσφορικό ισοπεντενύλιο που
ισομεριώνεται σε πυροφωσφορικό διμεθυλαλλύλιο:
CH2=C(CH3)CH2CH2-O-PO3H-PO3H2
CH3(CH3)C=CHCH2-O-PO3HPO3H2
- Από το πυροφωσφορικό διμεθυλαλλύλιο προέρχονται όλα τα πολυπρενοειδή,
με αλληλοδιαδοχικές συμπυκνώσεις πυροφωσφορικού ισοπεντενυλλίου.
- Βιοσύνθεση χοληστερόλης: προέρχεται από το σκουαλένιο. Ένζυμο κυκλοποιεί
το σκουαλένιο σε στεροειδή ένωση και μετά από ενζυμικές αντιδράσεις
προκύπτει η χοληστερόλη (βλ 4.2.1).
- Χοληστερόλη: συστατικό των μεμβρανών και των λιποπρωτεϊνών.
Μεταβολίζεται σε χολικά οξέα (βλ 4.2.3). Είναι πρόδρομη της βιταμίνης D και
των στεροειδών ορμονών.
- Ακετυλο-συνένζυμο Α: είναι η πρόδρομη ένωση όλων των ισοπρενοειδών
λιπιδίων συμπεριλαμβανομένου της χοληστερόλης και όλων των παραγόγων
της.
5.3 Βιοσύνθεση αμινοξέων.
- Στη σύνθεση των αμινοξέων πρέπει να ενσωματωθούν οι αμινομάδες στα
προϊόντα, μέσω καθήλωσης του αζώτου.
5.3.1 Βιολογική καθήλωση του αζώτου.
- Το άζωτο βρίσκεται στην αμόσφαιρα ως μόριο Ν2 και στα νιτρικά άλατα ΝΟ3του εδάφους. Προκειμένου το Ν να ενσωματωθεί στα αμινοξέα πρεπει να
αναχθεί σε ΝΗ4+, που γίνεται στα φυτά.
- Μετατροπή του ατμοσφαιρικού αζώτου σε αμμωνία: η αντίδραση γίνεται με το
ενζυμικό σύμπλοκο αζωτογονάση:
N2+8H++8e-+16ATP+16H2O  2NH3+H2+16ADP+16Pi
- Σύμπλοκο αζωτογονάσης: αποτελείται από δυο ένζυμα, την κυρίως
αζωτογονάση που περιέχει σίδηρο και μολυβδαίνιο και τη ρεδουκτάση της
αζωτογονάσης. Δότης ηλεκτρονίων είναι το NADH που παραγεται στον
κύκλο Krebs.
- Μετατροπή των νιτρικών σε αμμωνία: η αναγωγή γίνεται σε δυο στάδια.
1. Πρώτα ανάγονται τα νιτρώδη, μέσω του ενζύμου αναγωγάση των
νιτρικών:
NO3- + NADH + H+  NO2- + NAD+ + H2O
2. τα νιτρώδη ανάγονται σε αμμωνία σε 3 στάδια από το ένζυμο αναγωγάση
των νιτρωδών:
NO2-  NO-  NH2OH  NH3
- Παρατηρήσεις στις αντιδράσεις που ανάγουν άζωτο:
1. στην αναγωγή Ν2 και ΝΗ3- συμμετέχει το μολυβδαίνιο.
2. η αναγωγή του Ν2 είναι ενεργειακά πιο δαπανηρή (χρειάζονται 16 ΑΤΡ)
από εκείνη των ΝΗ3-.
3. κάθε μόριο Ν2 που ανάγεται από την αζωτογονάση απελευθερώνεται και
ένα Η2, αλλά δεν γνωρίζουμε τον ρόλο του.
101
Τόμος Β
-
Βιοχημεία
4. η αναγωγή Ν2 προϋποθέτει πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις Ο2 στο
περιβάλλον.
Ενσωμάτωση αμμωνίας σε οργανικές ενώσεις:
1. Σύνθεση φωσφορικού καρβαμιδίου. Είναι αντίδραση στον κύκλο της
ουρίας (βλ 4.3.1)
CO2 + NH3 + 2ATP + H2O  H2N-CO-OPO3H2 + 2ADP + Pi
2. Σύνθεση γλουταμινικού οξέος (βλ 4.3.1). Το γλουταμινικό οξύ χρησιμεύει
ως δότης αμινομάδας σε όλα σχεδόν τα αμινοξέα με την αντίδραση της
τρανσαμίνωσης (βλ 4.3.1).
3. Σύνθεση γλουταμίνης. Η γλουταμίνη είναι δότης αζώτου για σύνθεση
εξοζαμινών, ορισμένων αμινοξέων, αλλά και για σύνθεση πουρινών και
πυριμιδινών που είναι συστατικά των νουκλεϊκών οξέων.
5.3.2 Προέλευση του από άνθρακα σκελετού των αμινοξέων.
- Τα πρωτεϊνικά αμινόξέα κατατάσσονται σε απαραίτητα και μη απαραίτητα,
δηλ αν είναι απαραίτητη ή όχι η πρόσληψή τους από το περιβάλλον. Για τον
άνθρωπο, 8 είναι τα απαραίτητα αμινοξέα: βαλίνη, λευκίνη, ισολευκίνη,
λυσίνη, θρεονίνη, μεθειονίνη, φαινυλαλανίνη, τρυπτοφάνη (βλ κεφ 2).
- Ο από C ακελετός των αμινοξέων προέρχεται από προϊόντα είτε της
γλυκολυτικής οδού είτε από του κύκλου Krebs (βλ σχ. 5.3).
- Βιοσύνθεση μη απαραίτητων αμινοξέων: τα μη απαραίτητα χρειάζονται λίγες
αντιδράσεις για να συντεθούν:
1. το γλουταμινικό οξύ προέρχεται από ενσωμάτωση αμμωνίας στο ακετογλουταρικό οξύ (βλ 5.3.1)
2. το ασπαραγινικό οξύ προκύπτει με τρανσαμίνωση του οξαλικού οξέος
3. η αλανίνη με τρανσαμίνωση του πυροσταφυλικού οξέος
4. η σερίνη από τρανσαμίνωση του 3-φωσφογλυκερινικού οξέος
5. οι γλυκίνη και κυστεΐνη από την σερίνη
6. η γλουταμίνη από αμιδάτωση του γλουταμινικού οξέος (βλ 5.3.1)
7. η ασπαραγίνη από ασπαραγινικό οξύ (βλ 5.3.1)
8. η τυροσίνη προέρχεται από υδροξυλίωση του αμινοξέος φαινυλαλανίνη
9. η αργινίνη συνθέτεται στον κύκλο της ουρίας (βλ 4.3.1)
10. η ιστιδίνη απαιτεί 10 αντιδράσεις για να δημιουργηθεί
- Βιοσύνθεση απαραίτητων αμινοξέων: απαιτούν έναν μεγάλο εριθμό
αντιδράσεων, έως 15.
1. Προέρχονται από απλά προϊόντα της γλυκόλυση και του κύκλου Krebs.
2. στη συνθεση φαινυλαλίνης και τρυπτοφάνη συμβάλει μια τετρόζη
(παράγεται στον κύκλο των φωσφορικών πεντοζών).
3. πηγή αμινοξέων είναι οι πρωτεΐνες των τροφών μας.
4. αμινοξέα φυτικών πρωτεϊνών: λυσίνη, μεθειονίνη, τρυπτοφάνη.
5.3.3 Βιολογικώς σημαντικά παράγωγα αμινοξέων.
- Τα αμινοξέα δεν αποθηκεύουν ενέργεια όπως οι υδατάνθρακες και τα λίπη,
αλλά είναι ενεργειακά ισοδύναμα με τους υδατάνθρακες.
- Τα αμινοξέα συνθέτουν πρωτεΐνες.
- Τα μινοξέα αποτελούν πρόδρομες ενώσεις για σημαντικά βιολογικά προϊόντα,
που είναι τα εξής:
1. Γλουταθειόνη (GSH): είναι τριπεπτίδιο που αποτελείται από γλουταμινικό
οξύ, κυστεΐνη, γλυκίνη. Είναι αντιοξειδωτικό. Παράγει υπεροξείδια. Στα
ερυθρά αιμοσφαίρια εξουδετερώνει υπεροξείδια, Fe3- . Αναγεννάται με τον
102
Τόμος Β
2.
3.
4.
5.
Βιοχημεία
κύκλο των φωσφορικών πεντοζών. Τέλος συμμετέχει και στη μεταφορά
πρωτεϊνών.
Παράγωγα αποκαρβοξυλίωσης αμινοξέων:
α. φωσφορική πυριδοξάλη= συνένζυμο για την αποκαρβοξυλίωση
αμινοξέων.
β. βιογενείς αμίνες= προϊόντα αποκαρβοξυλίωσης.
γ. Ισταμίνη=προϊόν αποκαρβοξυλίωσης της ιστιδίνης, είναι αγγειοδιασταλτικός παράγοντας
δ. Σεροτονίνη= υδροξυλιωμένο παράγωγο της τριπτοφάνης (αμίνη), είναι
αγγειοσυσταλτικός παράγοντας.
ε. Χολίνη= συστατικό λεκιθινών (βλ 4.2.1), παράγωγο της αιθανολαμίνης
στ. Αιθανολαμίνη=αποκαρβοξυλιωμέο προϊόν της σερίνης
ζ. Ακετυλοχολίνη= νευροδιαβιβαστής
η. Πουτρεσκίνη= από αποκαρβοξυλίωση της ορνιθίνης, που συμβάλλει
στην σταθεροποίηση της δομής των ριβοσωμάτων (βλ 7.3) και των
νουκλεοπρωτεϊνών.
θ. Πολυαμίνες= σπερμίνη και σπερμιδίνη
Ορμόνες-παράγωγα αμινοξέων: είναι ρυθμιστικά μόρια του μεταβολισμού
(βλ 9.1). Είναι πρωτεϊνικής φύσεως και προϊόντα αμινοξέων.
α. τυροσίνη: αποτελεί προδρομη ένωση των ορμονών αδρεναλίνη
(επινεφρίνη), θυροξίνη και του νευροδιαβιβαστή νοραδρεναλίνη
(νορεπιρεφρίνη).
β. τρυπτοφάνη: πρόδρομη της ορμόνης της επίφυσης μελατονίνη.
Κρεατίνη και οξείδιο του αζώτου:
α. η κρεατίνη είναι παράγωγο των αμινοξέων αργινίνη και γλυκίνη. Το
παράγωγο της κρεατίνης είναι υψιλής ενέργειας και χρησιμεύει στην
αναγέννεση του ΑΤΡ, κατά τη σύσπαση των μυών (βλ 2.3) και ακολούθως
κυκλοποιείται και μετατρέπεται σε κρεατινίνη που αποβάλεται στα ούρα.
β. το οξείδιο του αζώτου (Ν=Ο) παράγεται από την αργινίνη. Ρυθμίζει
διεργασίες όπως εξουδετέρωση καρκινικών κυττάρων και μικροβίων,
χαλάρωση λείων μυϊκών ινών, διακίνηση σιδήρου κ.α. Είναι
ενεργοποιητής του ενζύμου γουανυλκυκλάση (βλ 9.2).
Άλλα σημαντικά παράγωγα αμινοξέων:
α. γλυκίμη= συμμετέχει στη σύνθεση του πυρολικού δακτυλίου
β. γλουταμινικό οξύ= συνθέτει πυρόλια στα φυτά
γ. Χολοχρωστικές= χολερυθρίνη (ζώα), φυκοερυθροχολίνη (φυτά)
δ. Πουρίνες και πυριμιδίνες= συστατικά του DNA, RNA, ΑΤΡ, συνένζυμο
Α κ.α. και προέρχονται από το ασπαριγινικό οξύ.
5.3.4 Είσοδος αμινοξέων στο κύτταρο.
- Λόγω των μεγάλων απαιτήσεων σε αμινοξέα, πρέπει να υπάρχει απρόσκοπτη
διακίνησή του εντός των κυττάρων. Υπάρχουν 12 πρωτεϊνικά συστήματα
διακίνησης μέσω των μεμβρανών.
Σύνοψη
- Σύνθεση υδατανθάκων: από λίπη και αμινοξέα, μέσω φωτοσύνθεσης στα
φυτά.
- Φωτοσύνθεση:
1. σύνθεση εξοζών, με αναγωγή ατμοσφαιρικού CO2.
2. η περίσσεια εξοζών ενσωματώνεται στο άμυλο με μορφή γλυκόζης
103
Τόμος Β
-
-
Βιοχημεία
Σύνθεση γλυκόζης από πυρισταφυλικό οξύ ή αμινοξέα ή προϊόντα του κύκλου
Krebs, μέσω γλυκονεογένεσης (αντίστροφη γλυκολυτική οδός).
Η περίσσεια της γλυκόζης αποθηκεύεται στο ύπαρ και τους μύς με μορφή
γλυκογόνου, που παρεχει γλυκόζη για τις μεσοπρόθεσμες ενεργειακές ανάγκες
.
Λιπαρά οξέα: συστατικά των λιπιδίων και συνθέτονται από ακετυλομάδες και
ακετυλο-συνένζυμο Α. Η περίσσεια των λιπαρών οξέων αποθηκεύεται με
μορφή τριγλυκεριδίων, μετά από εστεροποίηση με γλυκερόλη. Τα
τριγλυκερίδια εξυπηρετούν μακροπρόθεσμες ενεργειακές ανάγκες.
Σύνθεση πρωτεϊνικών αμινοξέων: χρειάζεται τόσο ο από C σκελετός του κάθε
αμινοξέος, όσο και και το Ν της α-αμινομάδας.
1. ο C σκελετός αντλείται από προϊόντα της γλυκολυτικής οδού είτε από
προϊόντα του κύκλου Krebs.
2. Η αμινομάδα ενσωματώνεται σε οργανικά μόρια με μορφή αμμωνίας, που
προέρχεται από αναγωγή νιτρικών και αναγωγή ατμοσφαιρικού Ν.
Ασκησεις αυταξιλόγησης.
- A.
1. Και τα φυτά και τα ζώα ενσωματώνουν CO2 σε ενώσεις, (αλλά κυρίως τα
φυτά).
2. Και τα φυτά και τα ζώα συνθέτουν υδατάνθρακες.
3. Η γλυκερόλη και τα λιπαρά οξέα μπορούν και ενσωματώνονται σε
γλυκόζη και άρα να μετατραπούν σε υδατάνθρακα.
4. Μόνο τα ακόρεστα λιπαρά οξέα με διπλούς δεσμούς μετά το C9 είναι
απαραίτητα για τον άνθρωπο.
5. Υπάρχουν πρωτεΐνες με λιπαρά οξέα στο μόριό τους.
6. Ο από C σκελετός των αμινοξέων μπορεί να ενσωματωθεί και σε άλλο
αμινοξύ. Έτσι λχ
α. το γλουταμινικό οξύ μετατρέπεται στα αμινοξέα γλουταμίνη, αργινίνη
και προλίνη,
β. η αλανίνη μετατρέπεται σε πυροσταφυλικό οξύ και από εκεί σε
οξαλοξικό οξύ και μετά σε ασπαραγινικό οξύ.
- Β. Φαγητά με άμυλο (πχ ζυμαρικά) και ζάχαρη (γλυκά) παχαίνουν. Το άμυλο
και η ζάχαρη μετατρέπονται υδρολυτικά σε γλυκόζη και φρουκτόζη που όταν
φωσφορυλιωθούν στα κύτταρα μπαίνουν στην γλυκολυτική οδό και
μετατρέπονται σε πυροσταφυλικό οξύ. Το πυροσταφυλικό οξύ μετατρέπεται
σε ακετυλο-συνένζυμο Α που είναι πρόδρομη ένωση για τα λιπαρά οξέα, τα
οποία εστεροποιούνται με γλυκερόλη και με φωσφορική διυδροξυακετόνη και
τα τριγλυκερίδια που προκύπτουν αποθηκεύονται στο λίπος.
- Γ. Τα λιπαρά οξέα μετατρέπονται μόνο σε ακετυλομάδες, οι οποίες
μεταβολιζόμενες στον κύκλο του Krebs σε συνδιασμό με την αναπνευστική
αλυσίδα και την οξειδωτική φωσφορυλίωση δίνουν ικανά ποσά ενέργειας,
αλλά δεν είναι πηγή C για τη σύνθεση υδατανθράκων και στου σκελετού των
αμινοξέων τα οποία είναι απαραίτητα για την μεκροχρόνια επιβίωση του
οργανισμού. Αντίθετα η γλυκερόλη των τριγλυκεριδίων είναι γλυκογεννετικό
προϊόν και μπορεί να δώσει τόσο γλυκόζη όσο και αμινοξέα.
- Δ. Η καζεΐνη (πρωτεΐνη του γάλατος) είναι πιο σημαντική για την επιβίωση
από το βούτυρο ή την ζάχαρη, γιατί ως πρωτεΐνη περιέχει αμινοξέα και
συνεπώς Ν. Χωρίς καζεΐνη δεν ανανεώνονται οι αζωτούχες ενώσεις, όπως τα
αμινοξέα.
104
Τόμος Β
-
-
-
-
Βιοχημεία
ΣΤ. Αναγωγή της γλουταθειόνης γίνεται μόνο με δότη Η το NADPH. Στα
ερυθρά αιμοσφαίρια (που είναι απύρηνα και δίχως μιροχόνδρια) η μόνη πηγή
αναγέννησης του NADPH είναι ο κύκλος των φωσφορικών πεντοζών.
Ζ. Η ριβόζη δημιουργείται στον κύκλο των φωσφορικών πεντοζών που ξεκινά
με φωσφορυλιωμένη γλυκόζη. Η γλυκολυτική οδός μετατρέπει τη γλυκόζη σε
πυροσταφυλικό οξύ που μετατρέπεται σε οξαλοξικό οξύ που ακολούθως
μετατρέπεται μέσω κύκλου Krebs σε α-κετογλουταρικό οξύ. Το τελευταίο
είναι πρόδρομη ένωση του γλουταμινικού οξέος. Από την άλλη το
πυροσταφυλικό οξύ θα μας δώσει ακετυλομάδες που θα ενσωματωθούν τόσο
στο παλμιτικό οξύ όσο και στη χοληστερόλη.
Η. Η μόνη καταβολική τύχη του ελαϊκού οξέος είναι να μετατραπεί σε
ακετυλομάδες με τον μηχανισμό της β-οξείδωσης. Το α-κετογλουταρικό οξύ
προέρχεται από την ακετυλομάδα, ενώ το ίδιο είναι πρόδρομος για το
γλουταμινικό οξύ.
Ι.
1. α. η σύνθεση των λιπαρών οξέων δεν σχετίζεται με αντιστροφή της βοξείδωσης, άλλος ο μηχανισμός της σύνθεσης και άλλος της
αποικοδόμησης των λιπαρών οξέων.
β. υπάρχουν φωσφογλυκερίδια με 0, +1, -1 φορτίο.
γ. τα τριγλυκερίδια είναι πολύ υδρόφοβες και δυσδιάλυτες στο νερό
ενώσεις, γι’ αυτό και δεν κυκλοφορούν ελεύθερα στο αίμα παρά μόνο
εγκλωβισμένα σε χυλομικρά και άλλες λιποπρωτεΐνες.
δ. Η χοληστερίνη συνθέτεται στον οργανισμό μας.
2. α. όλοι οι σημαντικοί υδατάνθρακες προέρχονται από τη γλυκόζη,
β. τα άμυλο αξιοποιείται ως πηγή ενέργειας και C, αφού όμως υδρολυθεί
σε μονοσακχαρίτες στο έντερο,
γ. τα λιπαρά οξέα μετατρέπουν τα 3 τελευταία ατομα C σε προπιονυλοσυνένζυμο Α, το οποίο μετατρέπεται στο ενδιάμεσο ηλεκτρυλο-συνένζυμο
Α, που τελικά μέσω της γλυκονεογεντικής οδού ενσωματώνεται σε
γλυκόζη,
δ. Ο λόγος που ο άνθρωπος δεν μπορεί να πέψει την κυτταρίνη είναι η
έλλειψη ενζύμου για να υδρολύσει τον β(14) δεσμό που είναι
συνδεδεμένα τα μόρια της γλυκόζης στην κυτταρίνη.
3. α. όλα τα αμινοξέα είτε μετατρέπονται σε γλυκόζη είτε απ’ ευθείας σε
ακετυλο-συνένζυμο Α, προσφέρουν ενέργεια,
β. η μεταβολική τύχη της αμμωνίας είναι η μετατροπή της σε ουρία και η
αποβολή της ουρίας με τα ούρα.
γ. γλυκογενετικά είναι τα αμινοξέα που μεταβολίζονται σε κάποιο
ενδιάμεσο προϊόν της γλυκολυτικής οδού, όπως και τα αμινοξέα που
μεταβολίζονται σε προϊόντα του κύκλου Krebs μιας και μετατρέπονται σε
οξαλοξικό οξύ που ακολουθεί την γλυκονεογενετική οδό.
δ. Η ακετόνη παράγεται όταν έχουμε έλλειψη υδατανθράκων και δεν
μπορεί να λειτουργήσει ο κύκλος του Krebs, επειδή το οξαλοξικό οξύ
καταναλώνεται κυρίως στη γλυκονεογενετική οδο.
ΙΑ.
1. η σύνθεση ενός μορίου αμινοξέος απαιτεί μικρότερη ενέργεια από τη
σύνθεση ενός μορίου υδατάνθρακα .
2. η αλανίνη προκύπτει από μια αντίδραση τρανσαμίνωσης μεταξύ του
πυροσταφυλικού οξέος και του γλουταμινικού οξέος.
105
Τόμος Β
-
Βιοχημεία
3. μέρος του από C σκελετού λιπαρών οξέων με άρτιο αριθμό C
μετατρέπεται σε ενδιάμεσο προϊόν του κύκλου Calvin.
4. ο άνθρωπος δεν μπορεί να αξιοποιήσει ακετυλομάδες για σύνθεση
γλυκόζης γιατί δεν διαθέτει τον κύκλο της ουρίας.
5. η γλουταθειόνη παρεμποδίζει την οξείδωση αμινομάδων των πρωτεϊνών.
6. βιογενείς αμίνες είναι προϊόντα απαμίνωσης αμινοξέων.
7. αναγωγικά δυναμικά για βιοσυνθετικούς σκοπούς προσφέρονται κυρίως
από το συνένζυμο NADH.
ΙΒ.
1. τριγλυκερίδια  μακροπρόθεσμη ενέργεια
2. γλυκογόνο  μεσοπρόθεσμη ενέργεια
3. CTP  ενεργοποίηση λιπιδίων
4. αρωματικά αμινοξέα  απαραίτητα αμινοξέα
5. UTP  ενεργοποίηση υδατανθράκων
6. δικαρβονικά αμινοξέα  μη απαραίτητα αμινοξέα
7. φωσφοκρεατίνη  φωσφορυλίωση ADP
8. βιογενείς αμίνες  αποκαρβοξυλίωση αμινοξέων.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6
Εισαγωγικά
- Δομή και μεταβολισμός των νουκλεϊνικών οξέων.
- Νουκλεϊνικά οξέα= μακρομόρια στα οποία είναι καταγεγραμμένη και μέσω
των οποίων υλοποιείται η βιοχημική συμπεριφορά και η μορφή του
οργανισμού.
- Στο κεφάλαιο αυτό θα συζητηθούν:
1. οι διεργασίες με τις οποίες συνθέτονται και αποικοδομούνται τα DNA,
RNA.
2. τα δομικά στοιχεία του DNA υπεύθυνα για την αποθήκευση και διαιώνιση
της γενετικής πληροφορίας, καθώς και για τις μεταλλάξεις.
3. βιολογικός ρόλος των νουκλεϊνικών οξέων.
- Οι ακόλουθες ενώσεις συμμετέχουν στην αρχιτεκτινική διαμόρφωση των
οργανισμών:
1. πρωτεΐνες (κολλαγόνο στα ζώα). Συμμετέχουν στην κατάλυση, μεταφορά
μορίων, άμυνα οργανισμού κ.α.
2. σύνθετα λιπίδια (φωσφολιπίδια στις κυτταρικές μεμβράνες των
οργανισμών).
3. υδατάνθρακες σε μορφή πολυσακχαριτών (κυτταρίνη στα φυτά,
γλυκογόνο και άμυλο στα ζώα).
4. γλυκόζη, αποθηκεύει ενέργεια.
5. τριγλυκερίδια, αποθηκεύουν ενέργεια.
6. φωσφογλυκερίδια αποτελούν δομικά στοιχεία των μεμβρανών.
- Πληροφορία: Μέσα στο DNA υπάρχει η πληροφορία για την κατασκευή,
λειτουργία και ανάπτυξη του συγκεκριμένου οργανισμού, η δε έκφραση και η
υλοποίηση αυτής της πληροφορίας πετυχαίνεται με το RNA.
- Ενότητες:
6.1 Τα είδη των νουκλεϊνικών οξέων και τα συστατικά τους
6.2 Οι δομές του DNA και του RNA. Νουκλεοπρωτεΐνες.
106
Τόμος Β
Βιοχημεία
6.3 Σύνθεση των συστατικών των νουκλεϊνικών οξέων.
6.4 Βιοσύνθεση DNA.
6.5 Μηχανισμοί επιδιόρθωσης του DNA.
6.6 Βιοσύνθεση RNA.
6.7 Καταβολισμός των νουκλεϊκών οξέων.
6.1 Τα είδη των νουκλεϊνικών οξέων και τα συστατικά τους
- Υπάρχουν δυο είδη νουκλεϊκών οξέων: το DNA, και το RNA.
- Το DNA λέγεται και γονιδίωμα, επειδή περιέχει όλα τα γονίδια του
οργανισμού.
- Στα προκαρυωτικά κύτταρα το DNA βρίσκεται σε ένα γιγάντιο μόριο που
αποτελεί το μοναδικό χρωμόσωμα του οργανισμού, καθώς και σε μικρότερα
κυκλικά μόρια τα πλασμίδια.
- Στα ευκαρυωτικά κύτταρα το DNA βρίσκεται στον πυρήνα κατανεμημένο στα
χρωμοσώματα. Μικρά ποσά DNA βρίσκονται στα μιτοχόνδρια και στους
χλωροπλάστες.
- Το RNA βρίσκεται στον πυρήνα (όπου συνθέτεται) αλλά, και στο
κυτταρόπλασμα, αλλά και στα μιτοχόνδρια, χλωροπλάστες όπου υπάρχει
DNA.
- Υπάρχουν διάφορα είδη RNA ανάλογα με τη λειτουργία τους:
1. rRNA , στα ριβοσώματα που συνθέτουν τις πρωτεΐνες.
2. mRNA, μεταφέρει πληροφορία για τη σύνθεση πρωτεϊνών από το DNA
του πυρήνα στα ριβοσώματα του κυτταροπλάσματος.
3. tRNA, μεταφέρει αμινοξέα στα ριβοσώματα προκειμένου να
ενσωματωθούν στις πρωτεΐνες.
4. hnRNA, ετερογενές RNA που περιέχει όλες τις πρόδρομες μορφές του
RNA.
5. snRNA, μικρό πυρηνικό RNA, κ.α.
- Νουκλεϊκά οξέα περιέχουν και οι ιοί. Άλλοι έχουν DNA και άλλοι RNA.
6.1.1 Τα νουκλεϊκά οξέα αποτελούνται από νουκλεοτίδια.
- Με υδρόλυση νουκλεϊνικού οξέος DNA ή RNA, στα προϊόντα υδρόλυσης
βρίσκουμε:
1. ανόργανα φωσφορικά
2. υδατάνθρακα. D-ριβόζη για το RNA, 2-δεοξυ-D-ριβόζη για το DNA.
3. δυό βάσεις πουρίνης (αδενίνη, γουανίνη) και δυο πυριμιδίνης (κυτοσίνη,
και ουρακίλη για το RNA και θυμίνη για το DNA).
- Η ποσοτική σχέση των συστατικών των νουκλεϊκών οξέων μεταξύ τους είναι
1:1:1. Για κάθε φωσφορικό αντιστοιχεί μια πεντόζη και μια βάση πουρίνης ή
πυριδαμίνης.
- Η τριάδα φωσφορικό-πεντόζη-βάση επαβαλαμβάνεται από δεκάδες έως
εκατομμύρια φορές στα μόρια RNA, DNA.
- Νουκλεοτίδιο: είναι η δομική μονάδα όλων των νουκλεϊκών οξέων.
Αποτελείται από βάση πουρίνης ή πυριμιδίνης ενωμένης με Ν-γλυκοσυλδεσμό με το αναγωγικό -ΟΗ της πεντόζης, η οποία στη συνέχεια
εστεροποιείται με μια φωσφορική ομάδα. Είναι οξύ λόγω της
φωσφορυλομάδας.
- Νουκλεοζίτης: είναι η ένωση βάση-πεντόζη.
- Νουκλεοζίτες και νουκλεοτίδια παίρνουν το όνομά τους από την βάση που
περιέχουν:
107
Τόμος Β
Βάση
1. αδενίνη
2. γουανίνη
3. κυτοσίνη
4. ουρακίλη
5. θυμίνη
Βιοχημεία
συμβολο
Α
G
C
U
Τ
νουκλεοζίτης
αδενοσίνη
γουανοσίνη
κυτιδίνη
ουριδίνη
θυμιδίνη
νουκλεοτίδιο
αδενυλικό οξύ
γουανυλικό οξύ
κυτιδιλικό οξύ
ουριδιλικό οξύ
θυμιδυλικό οξύ
σύμβολο
ΑΜΡ
GMP
CMP
UMP
ΤΜΡ
6.1.2 Τα νουκλεϊκά οξέα είναι πολυνουκλεοτίδια.
- Δινουκλεοτίδιο: προκύπτει με ανάπτυξη φωσφοδιεστερικού δεσμού σε ένα
μονονουκλεοτίδιο.
- Πολυνουκλεοτίδια: είναι κλώνοι μονονουκλεοτιδίων ενωμένων με
φωσφορικούς δεσμούς. Στα DNA, RNA οι φωσφοδιεστερικοί δεσμοί
αναπτύσσονται μεταξύ του C3 της μιας πεντόζης και της C5 της γειτονικής της.
- Πρωτοταγείς δομές: είναι η αλληλουχία νουκλεοτιδίων σε έναν κλώνο
νουκλεϊκού οξέος, όπως και η αλληλουχία αμινοξέων σε μια πρωτεΐνη.
6.2 Δομές του DNA και RNA.
- Στο DNA αποθηκεύεται η γενετική πληροφορία.
- Στο RNA μεταφέρεται και εκφράζεται η γενετική πληροφορία.
6.2.1 Η διπλή έλικα του DNA.
- DNA: στην φυσική του κατάσταση είναι μια διπλή έλικα που απαρτίζεται από
δυο αντιπαράλληλους κλώνους με συμπληρωματική αλληλουχία βάσεων
στους δυο κλώνους.
- Αντιπαράλληλος κλώνος: σημαίνει ότι η 3η προς 5η (3΄5΄) κατεύθυνση
στους δυο κλώνους είναι αντίθετη.
- Συμπληρωματική αλληλουχία κλώνων: στον ένα κλώνο απέναντυ από μια
αδενίνη υπάρχει πάντα θυμίνη, ενώ στο άλλο κλώνο απέναντυ από την
γουανίνη υπάρχει μια κυτοσίνη.
- Οι βάσεις αδενινη και θυμίνη είναι συμπληρωματικές, όπως και οι γουανίνη –
κυτοσίνη. Έτσι όταν γνωρίζουμε την αλληλουχία βάσεων του ενός κλώνου θα
γνωρίζουμε και του άλλου.
- Η διπλή έλικα σταθεροποιείται με δεσμούς Η, που αναπτύσσονται μεταξύ
συμπληρωματικών βάσεων στους απέναντυ κλώνους. Δυο δεσμοί Η μεταξύ
θυμίνης-αδενίνης και 3 δεσμοί Η μεταξύ κυτοσίνης-γουανίνης
- Συμπληρωματικότητα των δυο αντιπαράλληλων κλώνων: η δομή αυτή
επιτρέπει την αντιγραφή και αναπαραγωγή.
- Η ραχοκοκκαλιά του μορίου που αποτελείται από την αλληλουχία
φωσφορικού-δεοξυριβόζης και βρίσκεται στο εξωτερικό της διπλής έλικας
είναι υδρόφιλη και αρνητικά φορτισμένη.
- Οι βάσεις πουρίνη και πυριμιδίνη που προεξέχουν στο εσωτερικό της έλικας
είναι υδρόφοβες.
- Οι αυλακιές και άλλα χαρακτηριστικά του μορίου του DNA εξυπηρετούν τις
αλληλεπιδράσεις του DNA με πρωτεΐνες .
- Μορφες DNA: είναι οι μορφές A, B, C, D, Z. Είναι όλες δίκλωνες αλλά
διαφέρουν στο βήμα της έλικας, στην κλίση των επιπέδων των βάσεων προς
τον άξονα της έλικας κ.α. Όλες οι μορφές είναι δεξιόστροφες, μόνο η Ζ είναι
αριστερόστροφη.
108
Τόμος Β
Βιοχημεία
6.2.2 To DNA συμπλοκοποιείται με πρωτεΐνες.
- Το DNA αλληλεπιδρά συνεχώς με πρωτεΐνες. Άλλες πρωτεΐνες είναι
λειτουργικές, δηλ συμμετέχουν στην έκφραση της πληροφορίας, και άλλες
είναι δομικές.
- Ανθρώπινο DNA: έχει μήκος > 1m και 146 ζεύγη βάσεων γύρω από ένα
πρωτεϊνικό πυρήνα δημιουργώντας πυρηνοσώματα που συνδέονται με 20-100
ζεύγη βάσεων. Η κομπολοειδής μορφή που προκύπτει περιελίσσεται σε μια
σωληνοειδή διάταξη γνωστή ως χρωματίνη.
- Ιστόνες: είναι ο πυρήνας των πυρηνοσωματίων.
1. Περιέχει υψηλά ποσοστά αργινίνης και λυσίνης και λίγο γλουταμινικό και
ασπαραγινικό οξύ.
2. Στους προκαρυωτικούς οργανισμούς το DNA δεν βρίσκεται σε μορφή
χρωματίνης και δεν συμπλέκεται με ιστόνες.
3. Χωρίς την ιστόνη Η1 τα πυρηνοσώματα δεν δημιουργούν συγκεκριμένες
δομές. Με προσθήκη της Η1 δημιουργείται σωληνοειδές με 6-8
τυρηνοσώματα ανά βήμα.
6.2.3 Ανώτερες διαμορφώσεις μορίων RNA.
- Το RNA είναι μονοκλωνο.
- Τα μόρια του RNA παίρνουν συγκεκριμένες διαμορφώσεις στο χώρο που
οφείλονται σε ανάπτυξη ενδομοριακών δεμών Η μεταξύ συμπληρωματικών
βάσεων.
- Σπάνιες βάσεις: Στο RNA μπορούν να βρεθούν και άλλες βάσεις από αυτές
που αναφέρθηκαν αλλά είναι παράγωγα των βάσεων που ήδη αναφέρθηκαν.
Σε ορισμένες περιπτώσεις οι βάσεις αυτές δεν επιτρέπουν την ανάπτυξη των
δεσμών Η. Τέτοιες είναι
1. μεθυλιωμένες βάσεις
2. ανηγμένες βάσεις
3. βάσεις που τους λείπει μια αμινομάδα ή έχει αντικατασταθεί από άλλη
ομάδα
6.2.4 Και το RNA συμπλοκοποιείται με πρωτεΐνες.
- Τα διάφορα είδη του RNA κάνουν διαφορετικές δουλειές και ως εκ τούτου
έχουν διάφορες δομές, διακρίνονται σε:
1. γυμνά, δηλ αυτά που δεν δημιουργούν συμπλοκα με πρωτεΐνες.
2. μορφή ριβονουκλεοπρωτεϊνών,
3. ριβοσωμάτια, σωματίδια πάνω στα οποία γίνεται η σύνθεση των
πρωτεϊνών. Αποτελούνται από δυο υπομονάδες που η κάθε μια περιέχει
μερικές δεκάδες πρωτεΐνες.
4. ιοί, είναι νουκλεοπρωτεϊνικά σύμπλοκα αφού αποτελούνται RNA ή DNA
που βρίσκεται στο κέντρο του και από πρωτεΐνες που το περιβάλλουν.
Άλλες πρωτεΐνες παίζουν δομικό ρόλο, άλλες λειτουργικό και άλλες
ένζυμα.
- Βακτηριοφάγοι= ιοί που προσβάλουν βακτήρια.
6.2.5 Η αλληλεπίδραη των νουκλεϊκών οξέων με πρωτεΐνες δεν είναι τυχαία.
- Οι ιστόνες είναι θετικά φορτισμένα μόρια που αλληλεπιδρούν με την
αρνητικά φορτισμένη ραχοκοκκαλιά του DNA.
- Άλλες πρωτεΐνες δεσμεύονται από το DNA αφού αλληλεπιδράσουν με τις
βάσεις του DNA, από την εξωτερική του πλευρά.
109
Τόμος Β
-
Βιοχημεία
Η δεσμευση των πρωτεϊνών στο DNA/RNA οφείλεται σε δεσμούς Η ή
αλληλεπιδράσεις Van der Waals, μεταξύ συγκεκριμένων αμινοξέων της
πρωτεΐνης και των βάσεων του DNA/RNA.
Δομικά μοτίβα: είναι οι τρόποι που πρωτεΐνες προσκολούνται στο DNA/RNA.
1. έλικα-στροφή-έλικα
2. δάκτυλο ψευδαργύρου
Παράγοντας μεταγραφής: είναι πρωτεΐνες με μοτίβα στις δομές τους, ώστε να
αναγνωρίζουν συγκεκριμένες περιοχές στα τεράστια μόρια του DNA ώστε να
προσκολήσουν εκεί και όχι αλλού.
6.2.6 Τα νουκλεϊκά οξέα αλληλεπιδρούν και με άλλα νουκλεϊκά οξέα.
- Μετουσίωση DNA: είναι η διαδικασία αποδιάταξης των κλώνων του DNA και
γίνεται πχ με θέρμανση του υδατικού του διαλύματος.
- Επανουσίωση DNA: είναι το αντίθετο της μετουσίωσης, δηλ όταν οι δυο
κλώνοι του DNA επαναδιατάσσονται.
- Υβρίδια DNA-RNA: μόριο που ο ένας κλώνος είναι DNA και ο άλλος RNA.
- Αν θερμάνουμε (~1000C) υδατικό διάλημα του DNA θα καταστραφούν οι
δεσμοί Η (μετουσίωση) και τα δίκλωνα μόρια θα μετατραπούν σε μονόκλωνα
με τυχαία διάταξη. Αν το ψύξουμε απότομα η τυχαία διάταξη θα διατηρηθεί.
Αν το κρυώσουμε σιγά-σιγά, οι βάσεις θα βρούν τα ταίρια τους, θα
αποκατασταθούν οι δεσμοί Η και το DNA θα επανέλθει στην δικλωνική του
μορφή.
- Αν στο θερμό μετουσιωμένο διάλυμα προσθέσουμε RNA που η αλληλουχία
βάσεών του είναι ίδια με του ενός κλώνου του DNA και ψύξουμε το διάλυμα
σιγά-σιγά, θα δημιουργηθούν εκτός από δίκλωνα DNA και υβρίδια DNARNA.
6.2.7 Τα νουκλεϊκά οξέα αλληλεπιδρούν και με ιόντα και μικρά μόρια.
- Λόγω του αρνητικού φορτίου των φωσφορικών, η ραχοκοκκαλιά των
νουκλεϊκών οξέων αλληλεπιδρά
1. με θετικά φορτισμένα ιόντα Na+, K+, Mg+, κ.α.
2. με πρωτονιομένα οργανικά μόρια, όπως τις πολυαμίνες πουτρεσκίνη,
σπερμιδίνη και σπερμίνη (βλ. 5.3.3).
3. υδρόφοβα μόρια, πχ ακτινομυκίνη, βρωμιούχο αιθύνιο, κ.α.
- Η δέσμευση ενώσεων στις βάσεις των νουκλεϊνικών οξέων παρεμποδίζει τη
λειτουργικότητά τους.
6.3 Βιοσύνθεση των συστατικών των νουκλεϊτικών οξέων.
- Τα νουκλεϊνικά οξέα είναι πολυνουκλεοτίδια, δηλ αποτελούνται από
νουκλεοτίδια συνδεδεμένα μεταξύ τους με φωσφοδιεστερικούς δεσμούς.
- Το κάθε νουκλεοτίδιο αποτελείται
1. από μια βάση πουρίνης ή πυριδαμίνης
2. από μια πεντόζη, πχ 2-δεοξυ-D-ροβόζη, ή D-ριβόζη, που δημιουργούνται
στον κύκλο των φωσφορικών πεντοζών (βλ 4.1.3) και εν τέλει ανάγεται σε
δεοξυ-ριβόζη.
3. μια φωσφορική ομάδα, που λαμβάνεται από τροφές.
- Τριφωσφορικοί εστέρες των νουκλεοζιτών: ATP, GTP, CTP, UTP, dTTP,
είναι πρόδρομες ενώσεις των DNA/RNA.
110
Τόμος Β
Βιοχημεία
6.3.1 Βιοσύνθεση πυριμιδινο-νουκλεοτιδίων.
- Σειρά σύνθεσης πυριμιδίνης:
1. φωσφορικό καρβαμίδιο+ασπαραγινικό οξύL-ουρεϊδοηλεκτρικό οξύ+Pi
2. το L-ουρεϊδοηλεκτρικό οξύ οξειδώνεται προς οροτικό οξύ
3. οροτικό οξύ+ φωσφορική ριβόζη οροτιδυλικό οξύ
4. το οροτιδυλικό οξύ αποκαρβοξυλιώνεται προς ουριδυλικό οξύ (UMP), ένα
από τα 4 νουκλεοτίδια του RNA.
5. το ουριδυλικό οξύ παράγει το ουριδινο-διφωσφορικό οξύ (UDP):
UMP+ATP  UDP + ADP
6. και μετά σε ουριδινο-τριφωσφορικό οξύ (UTP):
UDP+ ATP  UTP + ADP
7. το τελευταίο δίνει κυτιδιλικό οξύ (CMP):
UTP+γλουταμίνη(ΝΗ3) +ATP  CTP+ADP+Pi+γλουταμινικό οξύ
6.3.2 Βιοσύνθεση πουρινο-νουκλεοτιδίων.
- Σειρά σύνθεσης των πουρινονουκλεοτιδίων:
1. Ριβόζη-5-Ρ+ΑΤΡ  πουρινικός δακτύλιος+ΑΜΡ
2. Ριβόζη-5-Ρ-1-ΡΡ + L-γλουταμίνη+Η2Ο  5-φωσφοριβοσυλαμίνη + Lγλουταμινικό οξύ +PΡi
6.3.3 Βιοσύνθεση των δι- και τριφωσφορικών εστέρων νουκλεοζιτών.
- Φωσφορυλίωνται τα μονονουκλεοτίδια με δότη φωσφορικών το ΑΤΡ.
- Αν Ν=νουκλεοζίτης και ΝΜΡ=νουκλεοτίδιο, οι αντιδράσεις έχουν την εξής
σειρά:
1. ΝΜΡ + ΑΤΡNDP+ ADP
2. NDP+ ATP  NTP + ADP
6.3.4 Βιοσύνθεση δεοξυριβονουκλεοτιδίων.
- Τα δεοξυριβονουκλεοτίδια δημιουργούνται με αναγωγή της ριβόζης :
1. NDP+θειορεδοξίνη-(SH2)dNDP+θειορεδοξίνη-S2 + Η2Ο
2. dNMP+ATP  dNDP + ADP
3. dNDP + ATP  dNTP + ADP
6.4 Βιοσύνθεση δεοξυθυμιδυλικού οξέος.
- Σύνθεση DNA=αντιγραφή του DNA.
6.4.1 Ιδιότητες του ενζυμικού συστήματος που συνθέτει DNA.
- Πολυμεράσες του DNA= τα ένζυμα καταλύτες κατά για τη σύνθεση του DNA
- Ιδιότητες πολυμεράσων:
1. Χρησιμοποιούν ως υποστρώματά τους τους 5΄ τριφωσφορικούς εστέρες
των δεοξυ-νουκλεοτιζιτών (δηλ dATP, dGTP, dCTP, dTTP) προσθέτοντας
σταδιακά από 1 μονονουκλεοτίδιο σε μια επιμηκυνόμενη αλυσίδα του
DNA: (dNMP)n+ dNTP  (dNMP)n+1 + PPi
2. Απαιτούν εκμαγείο (πιστό αντίγραφο), για να μη κατανεμηθούν τυχαία τα
δεοξυ-νουκλεοτίδια στο νέο μόριο DNA. Όπου στο εκμαγείο υπάρχει
αδενίνη θα ενσωματωθεί θυμίνη (και αντίθετα) με δεσμό Η, και όπου
υπάρχει γουανίνη θα ενσωματωθεί κυτοσίνη (και αντίστροφα). Ο νέος
κλώνος θα είναι συμπληρωματικός προς τον κλώνο-εκμαγείο.
111
Τόμος Β
Βιοχημεία
3. Η σύνθεση του DNA γίνεται με ημισυντηριτικό μηχανισμό. Συντηρητικός
μηχανισμός είναι όταν οι 2 αρχικοί κλώνοι επανενώνονται προς
αποκατάσταση του αρχικού DNA, και ημισυντηριτικός μηχανισμός όταν
ένας μόνο από τους παλαιούς κλώνους συνδέεται με έναν καινούργιο.
4. Οι πολυμεράσες του DNA χρειάζονται εκκινητήρα προκειμένου να
δράσουν. Ο εκκινητήρας μπορεί να είναι RNA ή πρωτεΐνη.
5. Η κατεύθυνση της βιοσύνθεσης είναι 5΄3΄: Η σύνθεση γίνεται από το 5΄
άκρο (που έχει τη μονοεστεροποιημένη φωσφορική ομάδα) προς το 3΄
(που έχει ελεύθερο -ΟΗ).
6. Ο μηχανισμός της βιοσύνθεσης του DNA εξυπηρετείται από περισσότερες
της μιας πολυμεράσες.
6.4.2 Η διαδικασία σύνθεσης του DNA δεν είναι η ίδια για τους δυο κλώνους, αν
και γίνεται με το ίδιο ένζυμο.
- Η διαδικασία ξεκινά με το ένζυμο πριμάση (πολυμεράση του RNA) η οποία
συνθέτει (με τη βοήθεια εκμαγείου) ένα ριβο-ολιγονουκλεοτικό οξύ, που
παραμένει συμπλοκοποιημένο με δεσμούς Η στον κλώνο-εκμαγείο και δρα ως
εκκινητήρας για τη σύνθεση του θυγατρικού DNA.
- Η σύνθεση του ενός εκ των δυο κλώνων γίνεται διακοπτώμενα ώστε να
επιτευχθεί προέκταση κατά την αντίθετη πλευρά.
- Τεμάχια Okazaki: είναι τα πολυνουκλεοτίδια που δημιουργούνται στον
καθυστερημενο και διακοπτώμενο κλώνο.
- Ένζυμο Pol III: συνθέτει τον προηγμένο κλώνο και τα τεμάχια Okazaki.
- Ένζυμο Pol Ι: υδρολύει τον RNA-εκκινητήρα και συμπληρώνει τα κενά
μεταξύ των τεμαχίων Okazaki.
- Ένζυμο λιγάση του DNA: ενώνει τα πολυνουκλεοτίδια μεταξύ τους σε ένα
συνεχή κλώνο (τον καθυστερημένο) αποκαθιστώντας τους απαραίτητους
φωσφοδιεστερικούς δεσμούς.
6.4.3 Βιοσύνθεση DNA με εκμαγείο RNA.
- Οι πολυμεράσες του DNA χρησιμοποιούν ως εκμαγείο το DNA.
- Οι ρετροϊοί (ιοί) χρησιμοποιούν ως εκμαγείο το RNA.
6.5 Επιδιόρθωση του DNA.
- Μηχανισμός επιδιόρθωσης του DNA: Τα ίδια τα ένζυμα που συνθέτουν το
DNA επιδιορθώνουν τυχόν λάθη κατά την αντιγραφή των κλώνων. Τα ένζυμα
μπορούν:
1. να αντικαταστούν μια τροποποιημένη βάση
2. να υδρολύουν ολόκληρες σειρές από νουκλεοτίδια και να τα
αντικαθιστούν με καινούργια
3. να υποκαθιστούν δεσμούς που έχουν σπάσει.
- Το DNA υπόκειται σε φυσικές και χημικές επιδράσεις του περιβάλλοντος, λχ
παρατηρείται :
1. απώλεια πουρινικών και πυριμιδικών βάσεων λόγω κάποιας αστάθειας του
γλυκοσυλ-δεσμού που συνδέει τις βάσεις με τη δεοξυριβόζη.
2. απώλεια της αμινομάδας των βάσεων, οπότε η αδενίνη να μετατρέπεται σε
υποξανθίνη και η κυτοσίνη σε ουρακίλη.
3. η υπεριώδης και η ιονίζουσες ακτινοβολίες μεταβάλουν το DNA
4. χημικοί παράγοντες όπως ελεύθερες ρίζες Ο2 ή καρκινογόνα
112
Τόμος Β
-
Βιοχημεία
Από τα δισεκατομμύρια βάσεις που μπορεί να περιέχει το DNA υπάρχουν
περιπτώσεις που και μια να χαθεί, μπορεί το κύτταρο να αλλάξει και ο
οργανισμός να νοσήσει βαριά και να μην επιβιώσει. Για αυτό υπάρχει ο
μηχανισμός επιδιόρθωσης.
6.6 Βιοσύνθεση RNA.
- Τα ένζυμα που καταλύουν τη βιοσύνθεση του RNA λέγονται πολυμεράσες
του RNA και έχουν τις εξής ιδιότητες:
1. Χρησιμοποιούν ως υποστρώματα τους 5΄ τριφωσφορικούς εστέρες των
νουκλεοζιτών (ATP, GTP, CTP, UTP) και καταλύουν την:
NTP + (NMP)n  (NMP)n+1 + PPi
2. Χρειάζονται εκμαγείο DNA. Η ακολουθεία των νουκλεοτιδίων είναι
συμπληρωματική αυτής του DNA.
3. Η κατεύθυνση σύνθεσης είναι 5΄3΄. Δημιουργείται φωσφορικός δεσμός
μεταξύ της α-φωσφορυλ-ομάδας του τριφωσφορικού νουκλεοζίτη και της
ελεύθερης 3΄ υδροξυλομάδας της ριβόζης του RNA.
4. Ο μηχανισμός σύνθεσης του RNA είναι συντηρητικός, δηλ το αντίγραφο
είναι ίδιο με το αρχικό DNA και όχι συζυγές του.
5. οι πολυμεράσες του RNA δεν χρειάζονται εκκινητήρα προκειμένου να
δράσουν (ενώ οι πολυμεράσες του DNA χρειάζονταν).
- Οι 3 πρώτες ιδιότητες είναι κοινές και για τα ένζυμα του DNA και του RNA,
ενώ οι δυο τελευταίες όχι.
6.6.1 Ωρίμανση του RNA.
- Υπάρχουν RNA που κάνουν διαφορετικές δουλειές (βλ. 6.2.5) και για αυτό
έχουν διαφορετικές διαμορφώσεις στο χώρο.
- Ωρίμανση RNA: είναι το σύνολο των διεργασιών για να λάβει το RNA την
τελική του μορφή.
- mRNA: είναι το RNA που μεταφέρει την γεννετική πληροφορία στα
ριβοσωμάτια.
6.7 Καταβολισμός των νουκλεϊκών οξέων.
- Συνθέτονται μεγάλες ποσότητες νουκλεϊνικών οξέων στα κύτταρα,
προκειμένου να προχωρήσει η σύνθεση των απαραίτητων πρωτεϊνών.
- Μετά τα νουκλεϊνικά οξέα αποικοδομούνται.
6.7.1 Η αποικοδόμηση των νουκλεϊνικών οξέων γίνεται υδρολυτικά.
- Τα DNA, RNA αποικοδομούνται υδρολυτικά, με τη βοήθεια των ενζύμων
νουκλεάσες, που υδρολύουν τους φωσφοδιεστερικούς δεσμούς των
νουκλεϊνικών οξέων.
- Ενδονουκλεάσες: είναι οι νουκλεάσες (ένζυμα) που υδρολύουν στο κέντρο
των DNA/RNA.
- Εξωνουκλεάσες: είναι οι νουκλεάσες (ένζυμα) που υδρολύουν σε ακραία
σημεία των DNA/RNA.
- Δεοξυριβονουκλεάση: είναι η νουκλεάση που υδρολύει μόνο το DNA.
- Ριβονουκλεάση: είναι η νουκλεάση που υδρολύει μόνο το RNA.
- Νουκλεοτιδάσες: είναι φωσφαδάσες που αποφωσφορυλιώνουν τα
μονονουκλεοτίδια.
- Νουκλεοσιδάσες: ένζυμα που υδρολύουν νουκλεοζίτες προς ριβόζες.
113
Τόμος Β
Βιοχημεία
6.7.2 Οι πουρίνες οξειδώνονται και αποβάλλονται με διάφορες μορφές ανάλογα
με τον οργανισμό.
- Αδενίνη και γουανίνη (βλ 6.1.1) απαμινώνονται και μετατρέπονται σε
υποξανθίνη και ξανθίνη αντίστοιχα. Η υποξανθίνη οξειδώνεται προς ξανθίνη
και αυτή σε ουρικό οξύ.
6.7.3 Οι πυριμιδίνες μετατρέπονται σε β-αμινοξέα, ΝΗ3 και CO2.
- Η κυτοσίνη και η ουρακίλη έχουν κοινή μεταβολικη τύχη. Μετατρέπονται
τελικά σε β-αλανίνη, ΝΗ3 και CO2.
- Η θυμίνη, παρόμοια μετατρέπεται σε β-αμινοϊσοβουτυρικό οξύ, ΝΗ3 και CO2.
Σύνοψη
- Δομή, βιοσύνθεση και μεταβολισμός DNA/RNA.
- Τα νουκλεϊκά οξέα (DNA/RNA) είναι πολυνουκλεοτίδια, δηλ πολυμερή
νουκλεοτιδίων, που αποτελούνται από
1. μια φωσφορυλομάδα
2. μια πεντόζη, την D-ριβόζη (στο RNA) και την 2-δεοξυ-D-ριβόζη (στο
DNA).
3. μια βαση πουρίνης ή πυριμιδίνης.
- Το DNA είναι μια διπλή έλικα με κλώνους συμπληρωματικούς και
αντιπαράλληλους. Η διπλή έλικα σταθεροποιείται με δεσμούς Η που
αναπτύσσονται μεταξύ βάσεων και απέναντυ κλώνων.
- DNA και RNA συνθέτονται από ένζυμα που λέγονται πολυμεράσες.
Προκειμένου να δράσουν χρησιμοποιούν ως εκμαγείο έναν κλώνο DNA με
αποτέλεσμα η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων στον κλώνο του νέου
DNA/RNA να είναι συμπληρωματική ως προς την αλληλουχία των
νουκλεοτιδίων του εκμαγείου.
- Ο καταβολισμός των DNA/RNA γίνεται υδρολυτικά, κατ’ αρχήν σε
μονονουκλεοτίδια και μετά σε ανόργανα φωσφορικά, πεντόζη και ελεύθερες
βάσεις.
- Οι πουρίνες μετατρέπονται και αποβάλλονται ως ουρικό οξύ ή μεταβολίζονται
έως και ΝΗ3 και CO2.
- Οι πυριμιδίνες ουρακίλη και κυτοσίνη μετατρέπονται σε β-αλανίνη και η
θυμίνη σε β-αμινο-ισοβουτυρικό οξύ.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης.
- Α.
1. Το DNA έχει μόνο λειτουργικό ρόλο, την αποθήκευση γενετικής
πληροφορίας, και όχι δομικό.
2. Το DNA υπάρχει στον πυρήνα του κυττάρου, στα μιτοχόνδρια και στους
χλωροπλάστες.
3. Η χρωματίνη δημιουργείται μόνο στα ευκαρυωτικά κύτταρα.
4. Θυμίνη υπάρχει και σε DNA και σε RNA.
5. Ουρακίλη υπάρχει μόνο στο RNA και όχι στο DNA. Αν εμφανιστεί στο
DNA θα είναι από λάθος, που μετά θα διορθωθεί από κατάλληλο ένζυμο
προς κυτοσίνη.
6. Το ποσό της αδενίνης στα μόρια του DNA ισούται με το ποσό της
θυμίνης.
7. Σε δίκλωνα μόρια DNA ο αριθμός των βάσεων γουανίνης είναι ίσος με
της κυτοσίνης.
114
Τόμος Β
-
-
-
-
Βιοχημεία
8. Το μόριο του DNA είναι δίκλωνο, ενώ του RNA μονόκλωνο. Κατα στη
σύνθεση του RNA χρησιμεύει ως εκμαγείο μόνο ένας από τους δυο
κλώνους του DNA. Ο μηχανισμός σύνθεσης του RNA είναι συντηρητικός,
δηλ το RNA απελευθερώνεται ως μονόκλωνο μόριο.
9. DNA/RNA αποικοδομούνται υδρολυτικά.
10. Τα β-αμινοξέα (πχ β-αλανίνη) που παραγονται κατά τον καταβολισμό των
πυριμιδινών ενσωματώνονται στο συνένζυμο Α. Τα α-αμινοξέα
ενσωματώνονται σε πρωτεΐνες (βλ κεφ. 2).
Β.
1. Στο DNA η κυττοσίνη αναπτύσσει δεσμούς Η με τη γουανίνη.
2. Οι πρωτεΐνες που σταθεροποιούν τη δομή του πυρηνοσώματος
ονομάζονται ιστόνες.
3. Το γονιδίωμα των ρετροϊών αποτελείται από RNA.
4. Το ουρικό οξύ είναι προϊόν της αποικοδόμησης των πουρινών.
5. Νουκλεοζίτης είναι προϊόν της αποφωσφορυλίωσης ενός νουκλεοτιδίου.
6. Ένζυμα που υδρολύουν νουκλεϊνικά οξέα ονομάζονται πυριμιδινικά.
7. Φωσφατάσες που αποφωσφορυλιώνουν νουκλεοτίδια ονομάζονται
νουκλεοτιδάσες.
Γ.
1. Ο μηχανισμός σύνθεσης του DNA είναι ημισυντηρητικός.
2. Ο μηχανισμός σύνθεσης του RNA είναι συντηρητικός.
3. Τα πλασμίδια αποτελούνται από DNA.
4. Τα νουκλεϊκά οξέα αντιδρούν με θετικά φορτισμένα μόρια.
5. Πρωτεΐνες αλληλεπιδρούν κυρίως με τη μεγάλη αύλακα του DNA.
6. Η γλυκίνη ενσωματώνεται στον πουρινικό δακτύλιο.
7. Ως εκκινητήρα για τη σύνθεση του DNA χρησιμεύει RNA.
8. Ως εκμαγειο για τη σύνθεση DNA χρησμεύει το DNA.
9. Η σύνθεση των νουκλεϊκών οξέων γίνεται πάντα με κατεύθυνση 5΄3΄.
10. Τα τεμάχια Okazaki εμφανίζονται κατά τη σύνθεση καθυστερημένου
κλώνου του DNA.
Δ. Οι πολυμεράσες του DNA έχουν τις ακόλουθες ιδιότητες:
1. Απαιτούν την παρουσία εκμαγείου
2. Μπορούν να προεκτείνουν μια αλυσίδα DNA αλλά όχι και να την
συνθέσουν.
Ε. Οι πολυμεράσες του RNA έχουν την ακόλουθη ιδιότητα: η κατεύθυνση
σύνθεσης είναι 5΄3΄.
ΣΤ. Η δομή του ολιγονουκλεοτιδίου (5΄)pppApCpCpApGpCpGpA(3΄) είναι
RNA επειδή το άκρο 5΄έχει τρία φωσφορικά, που παραμένουν όταν η
πολυμεράση του RNA τοποθετεί το πρωτο νουκλεοτίδιο.
Ζ.Το συμπληρωματικό κομμάτι της ακόλουθης περιοχής του κλώνου
(5΄) ..... pTpGGpGpCpApTpApCpT….(3΄)
είναι το ακόλουθο:
(5΄)pApGpTpApTpGpCpCpA(3΄)
Η.
1. τεμάχια Okazaki  ασυνεχής σύνθεση κλώνου DNA
2. πριμάση  ριβονουκλεάση
3. πυρηνόσωμα ιστόνες
4. β-αλανίνη  ουρακίλη
5. δομικό μοτίβο  έλικα-στροφή-έλικα
6. θειορεδοξίνη  δεοξυριβονουκλεοτίδιο
115
Τόμος Β
Βιοχημεία
7. DNA  γενετική πληροφορία.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7
Εισαγωγή.
- Διεργασίες που γίνεται η βιοσύνθεση των πρωτεϊνών στους ζωντανούς
οργανισμούς.
- Οι αλληλουχίες νουκλεοτιδίων στο μόριο DNA μεταγράφονται σε
αλληλουχίες νουκλεοτιδίων RNA και αυτές σε αλληλουχίες αμινοξέων στις
πρωτεΐνες.
- Η δομή των πρωτεϊνών καθορίζεται από την δομή του DNA (βλ 2.2.3). Ενώ
όμως υπάρχουν 20 διαφορετικά αμινοξέα στις πρωτεΐνες, στο DNA υπάρχουν
μόνο 4 νουκλεοτίδια. Θα πρέπει η αλληλουχία των 4 νουκλεοτιδίων (4
βάσεων) να καθορίζει την αλληλουχία των 20 αμινοξέων.
7.1 Ο γενετικός κώδικας. Η στρατηγική που εμφανίστηκε και επικράτησε κατά
την εξέλιξη σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς για μεταφορά της γεννετικής
πληροφορίας από το DNA στις πρωτεΐνες.
- Η γενετική πληροφορία που είναι καταγεγραμμένη στη σειρά των
νουκλεοτιδίων του DNA θα πρέπει να μετατραπεί σε πληροφορία που θα
καθορίζει την αλληλουχία των αμινοξέων στις πρωτεΐνες.
- Στα ευκαρυωτικά κύτταρα το DNA βρίσκεται μέσα στον πυρήνα τους.
- Στα προκαρυωτικά κύτταρα το DNA βρίσκεται στο πυρηνοειδές.
- Η συνθεση των πρωτεϊνών γίνεται στο κυτταρόπλασμα, δηλ γενετική
πληροφορία πρέπει να βγει έξω στο κυτταρόπλασμα.
7.1.1 Μεταγραφή της γενετικής πληροφορίας από το DNA σε μόρια αγγελιοφόρου RNA (mRNA).
- Η πληροφορία βγαίνει από τον πυρήνα στο κυτταρόπλασμα με αντιγραφή της
περιοχής του DNA που αντιστοιχεί σε ένα γονίδιο (δηλ η περιοχή για τη
σύνθεση μιας πρωτεΐνης) στο mRNA, του οποίου η αλληλουχία των
νουκλεοτιδίων του είναι συμπληρωματική προς του DNA που χρησιμεύει ως
εκμαγείο. Το mRNA μετακινείται στο κυτταρόπλασμα.
- Αντινοηματικός κλώνος: είναι ο κλώνος εκμαγείο του DNA, προς σύνθεση
πρωτεΐνης.
- Νοηματικός κλώνος: είναι συμπληρωματικός του αντινοηματικού και
περιλαμβάνει το γονίδιο που μεταγράφεται.
- Εξόνια: είναι σειρές νουκλεοτιδίων που καθορίζουν τη σειρά των αμινοξέων
σε μια περιοχή της υπό κατασκευής πρωτεΐνης.
- Ιντρόνια: σειρές νουκλεοτιδίων που διακόπτουν τα εξόνια και δεν καθορίζουν
τίποτα. Ο αριθμός τους σε ένα γονίδιο είναι 2-50, το δε μήκος τους 50-20000
νουκλεοτίδια.
- Διαφορές mRNA μεταξύ προκαρυωτικού-ευκαρυωτικού κυττάρου:
1. Το mRNA στα προκαρυωτικά κύτταρα συμπλέκεται (ενώ ακόμα
δημιουργείται) με τον μηχανισμό σύνθεσης πρωτεϊνών. Στα ευκαρυωτικά
κύτταρα το πρωτοταγές μόριο που συνθέτεται αποτελεί πρόδρομο του
ευκαρυωτικού mRNA και υφίσταται τροποποιήσεις στα δυο άκρα προτού
μετακινηθεί στο κυτταρόπλασμα.
116
Τόμος Β
Βιοχημεία
2. Το μήκος των πρωτογενών μορίων mRNA στα προκαρυωτικά κύτταρα
αντιστοιχεί στο μήκος του γονιδίου του DNA, ενώ στα ευκαρυωτικά είναι
γενικά μεγαλύτερο .
3. Στους ευκαρυωτικούς τα mRNA συσκευάζονται σε νουκλεοπρωτεϊνικά
σύμπλοκα και με αυτή τη μορφή βγαίνουν από τον πυρήνα στο
κυτταρόπλασμα όπου συμπλεκονται με ριβοσωμάτια πάνω στα οποία
γίνεται η σύνθεση της πρωτεΐνης, στους δε προκαρυωτικούς το mRNA
συμπλέκεται με ριβοσωμάτια πριν ολοκληρωθεί η σύνθεσή του, ενώ
ταυτόχρονα αρχίζει η σύνθεση των πρωτεϊνών.
7.1.2 Ο γεννετικός κώδικας.
- Δεν μπορεί να υπάρξει 1:1 αντιστοιχία των 4 βάσεων (νουκλεοτιδίων) με τα
20 και πλέον αμινοξέα που συνθέτονται κατά τη δημιουργία των πρωτεϊνών.
- Αυτό εξηγείται τελικά με την αντιστοίχηση τριάδων βάσεων (νουκλεοτιδίων)
προς σχηματισμό ενός αμινοξέος. Οι δυνατοί συνδιασμοί των 4
νουκλεοτιδίων ειναι 43=64.
- Οι 61 από τις 64 δυνατές τριάδες ορίζουν κάποιο αμινοξύ και οι υπόλοιπες 3
δίνουν το σήμα για να σταματήσουν την ενσωμάτωση των αμινοξέων στην
πεπτιδική αλυσίδα.
- Κωδικόνιο: η τριάδα νουκλεϊκών οξέων που καθορίζει την ενσωμάτωση ενός
αμινοξέος σε πρωτεΐνη ή τον τερματισμό της πρωτεϊνικής σύνθεσης.
- Ο γεννετικός κώδικας είναι καθολικός, δηλ ισχύει σε όλη την εξελικτική
κλίμακα. Μικρές αποκλίσεις από την καθολικότητα παρατηρείται στα
μιτοχόνδρια, που έχουν το δικό τους DNA που κωδικεύει μιτοχονδριακές
πρωτεΐνες.
- Χαρακτηριστικά του γεννετικού κώδικα:
1. Ο γεννετικός κώδικας είναι εκφυλισμένος: τα αμινοξέα καθορίζονται από
2-6 κωδικόνια, πλην της μεθειονίνης και της τρυπτοφάνης.Αυτό λέγεται
εκφύλιση και επιτρέπει στον κώδικα να ενσωματώνει τις πρωτεΐνες στο
σωστό αμινοξύ ακόμη και αν τύχουν μεταλλάξεις.
2. Κωδικόνια που ορίζουν το ίδιο αμινοξύ είναι δομικά συγγενή: τα
κωδικόνια αυτά λέγονται συνώνυμα και διαφέρουν μόνο προς την 3η
βάση.
3. Κωδικόνια που ορίζουν δομικά συγγενή αμινοξέα είναι επίσης δομικά
συγγενή: βοηθά στη σταθερότητα των δομών των πρωτεϊνών, γιατί αν
συμβεί μετάλλαξη, το μεταλλαγμένο θα είναι δομικά συγγενές με το παλιό
και θα επηρεαστεί πολύ λίγο η τριτοταγής διαμόρφωση του πρωτεϊνικού
μορίου.
4. Ο αριθμός των κωδικονίων που αντιστοιχούν σε κάθε αμινοξύ είναι
ανάλογος της συχνότητας που απαντάται το αμινοξύ αυτό στις πρωτεΐνες.
5. Ο γεννετικός κώδικας δεν είναι επικαλυπτόμενος αλλά συνεχής.
7.1.3 Μετάφραση του γεννετικού κώδικα. Η βιοσύνθεση των πρωτεϊνών.
- Η υπόσταση της γεννετικής πληροφορίας είναι η σειρά των νουκλεοτιδίων
(των 4 βάσεων) εντός DNA.
- Με εκμαγείο τον αντινοηματικό κλώνο του DNA, η σειρά αυτή μεταγράφεται
σε mRNA.
- Στους ευκαρυωτικούς τα mRNA συσκευάζονται σε νουκλεοπρωτεϊνικά
σύμπλοκα και με αυτή τη μορφή βγαίνουν από τον πυρήνα στο
κυτταρόπλασμα όπου συμπλεκονται με ριβοσωμάτια πάνω στα οποία γίνεται
117
Τόμος Β
-
-
-
Βιοχημεία
η σύνθεση της πρωτεΐνης, στους δε προκαρυωτικούς το mRNA συμπλέκεται
με ριβοσωμάτια πριν ολοκληρωθεί η σύνθεσή του, ενώ ταυτόχρονα αρχίζει η
σύνθεση των πρωτεϊνών.
Ριβοσωμάτια: είναι μηχανές που κατασκευάζουν πρωτεΐνες.
Το mRNA συμπλοκοποιείται πρώτα στο ριβοσωματιο. Τα αμινοξέα
μεταφέρονται στο ριβοσωμάτιο με μεταφέροντα tRNA.
tRNA: στο ένα άκρο του δεσμεύει το κατάλληλο αμινοξύ μέσω της
καρβοξυλομάδας του με την παρέμβαση ενζύμων που καλούνται συνθετάσες
των αμινοακυλο-tRNA, ενώ στο άλλο άκρο του έχει μια τριάδα
νουκλεοτιδίων (αντικωδικόνιο) που είναι συμπληρωματική του κωνδικονίου
του mRNA.
Διαδικασία ενσωμάτωσης αμινοξέων στις πρωτεΐνες:
1. όλες οι πρωτεΐνες ενσωματώνουν πρώτα το αμινοξύ μεθειονίνη.
2. η μεθειόνη μεταφέρεται από το tRNA που αναπτύσει δεσμούς Η με το
κωδικόνιο AUG που ορίζει τη μεθειονίνη. Η αλληλεπίδραση γίνεται στην
πεπτυδυλο-περιοχή.
3. ακολούθως δεσμεύεται tRNA στην αμινοακυλο-περιοχή του
ριβοσωματίου.
4. Δημιουργείται πεπτιδικός δεσμός ανάμεσα στην καρβοξυλομάδα της
μεθειονίνης και την αμινομάδα της αλανίνης.
5. Ακολουθεί μετακίνηση αυτού του tRNA από την αμινοακυλο-περιοχή
στην πεπτιδυλο-περιοχή.
6. ο κύκλος ξαναρχίζει με δημιουργία νέου πεπτιδικού δεσμού. Η διαδικασία
τελειώνει όταν πάρει θέση στο ριβοσωμάτιο το κωδικόνιο που δίνει σήμα
τερματισμού της πρωτεϊνικής σύνθεσης, δηλ τα UAA, UAG, UGA.
7. η πρωτεΐνη που τελικά δημιουργείται απελευθερώνεται από το ριβόσωμα.
Το mRNA μπορεί να δεσμευτεί σε άλλο ριβοσωματιο (πολυσωματια).
Το tRNA δεν μεραφέρει άλλο αμινοξύ εκτός αυτού που καθορίζει το
αντικωδικόνιο που υπάρχει στη δομή του tRNA.
Η πρώτη μόνο βάση του αντικωδικονίου αναπτύσει δεσμούς Η.
7.2 Συμπλήρωση και ολοκλήρωση της δομής των πρωτεϊνών.
- Οι πρωτεΐνες που βγαίνουν από τα ριβοσώματα δεν έχουν λάβει την τελική
τους χημική σύσταση και χωρική διαμόρφωση. Ολοκληρώνουν την τελική
τους διαμόρφωση αφού υποστούν διάφορες μετα-μεταφραστικές
τροποποιήσεις.
7.2.1 Οι πρωτεΐνες υφίστανται μετα-μεταφραστικές τροποιήσεις.
- Στις πρωτεΐνες ενσωματώνονται μόνο τα 20 γνωστά είδη αμινοξέων.
- Περιπτώσεις τροποποιήσεων:
1. ομοιπολικές τροποποιήσεις των R ομάδων των αμινοξέων, όπως
φωσφορυλιώσεις, γλυκοσυλιώσεις, υδροξυλιώσεις, ακυλιώσεις κλπ.
2. τροποποίηση της ελεύθερης Ν-τελικής αμινομάδας, όπως ακυλιώσεις.
3. της ελεύθερης C-τελικής καρβοξυλομάδας, όπως αμιδίωση.
4. υδρολυτική αφαίρεση περιοχών μια πρωτεΐνης.
7.2.2 Η συγκρότηση των ανωτέρων διαμορφώσεων των πρωτεϊνών.
- Δυο πρωτεϊνικά μόρια με την ίδια αλληλουχία θα έχουν παρόμοια
τρισδιάστατη διαμόρφωση.
118
Τόμος Β
-
-
-
Βιοχημεία
Δρεπανοκυτταρική αναιμία (αιμολυτική νόσος): περίπτωση που στη β αλυσίδα
της αιμοσφαιρίνης έχει αντικατασταθεί το γλουταμινικό οξύ από μια βαλίνη.
Έχει ως αποτέλεσμα η μη οξυγονωμένη μεταλλαγμένη αιμοσφαιρίνη είναι
δυσδιάλυτη και κατακρυμνίζεται στα ερυθρά αιμοσφαίρια, με αποτέλεσμα τα
αιμοσφαίρια αυτά να παίρνουν μορφή δρεπανιού και να γίνονται πιο
εύθραυστα σε σχέση με τα φυσιολογικά αιμοσφαίρια.
Πρωτεΐνες συνοδοί (βλ 2.3): αλληλεπιδρούν με περιοχές της πεπτιδικής
αλυσίδας και δεν επιτρέπουν τη δημιουργία ακατάλληλων αναδιπλώσεων,
μέχρις ότου ολοκληρωθεί η σύνθεση της πρωτεΐνης. Για τη διάσπαση της
πρωτεΐνης συνοδού από το σύμπλεγμα με την πρωτεΐνη που συνθέτεται,
απαιτείται και ενέργεια που προέρχεται από την υδρόλυση του ΑΤΡ.
Ισομεράση των πρωτεϊνικών δισουλφιδίων (ένζυμο): μπορεί και διασπά
δισουλφιδικούς δεσμούς (-S-S-) που δημιουργήθηκαν σε ακατάλληλα σημεία
στην πρωτεΐνη και τους δημιουργεί στα σημεία που πρέπει.
7.3 Η ορθή ενδοκυτταρική εντόπιση των πρωτεϊνών.
- Στους προκαρυωτικούς οργανισμούς που δεν υπάρχει πυρήνας δεν υπάρχει
εμπόδιο να μεταφερθούν οι πρωτεΐνες σε διάφορες περιοχές του κυττάρου.
- Στα ευκαρυωτικά κύτταρα η σύνθεση των πρωτεϊνών γίνεται στο
κυτταρόπλασμα και υπάρχουν εμπόδια μετακίνησης στο σωστό
υποδιαμέρισμα του κυττάρου (δηλ προς πυρήνα , μιτοχόνδρια, ιστούς, ήπαρ,
ενδοπλασματικό δίκτυο κλπ). Πρέπει οι πρωτεΐνες να περάσουν διαμέσου
μεμβρανών, έτσι έχουν περοχές που αναγνωρίζονται από τις μεμβράνες.
- Σηματοδοτικό πεπτίδιο (signal peptide): το αναγνωρίζει ένας υποδοχέας στην
εξωτερική μεμβράνη του μιτοχονδρίου. Η μεταφορα της πρωτεΐνης στον
υποδοχέα γίνεται με τη βοήθεια πρωτεΐνης-συνοδού, που αποδιατάσει την
κυρίως πρωτεΐνη που πρέπει να μπεί στο μιτοχόνδριο. Αφού περάσει το
μιτοχόνδριο αναλαμβάνει άλλη πρωτεΐνη-συνοδός. Ακολουθως το
σηματοδοτικό πεπτίδιο αποκόπτεται από μια πρωτεάση.
Σύνοψη.
- Μελετήσαμε την φύση και μετάφραση του γεννετικού κώδικα, όπου τα 4 μόνο
νουκλεϊκά οξέα (βάσεις) μεταφράζονται σε 20 πρωτεΐνες. Συνεχόμενες
τριάδες νουκλεοτιδίων (κωδικόνια) εκτελούν τη σύνθεση. Με εξαίρεση 2
αμινοξέα, όλα τα άλλα καθορίζονται από 2-6 ομάδες τριάδων.
- Η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων του DNA μεταφράζεται σε αλληλουχία στο
RNA που συμπλέκεται με ριβοσώματα που είναι τοποι σύνθεσης των
πρωτεϊνών. Δηλ
DNA RNA πρωτεΐνη
- Με τη σύνθεση της πρωτεϊνικής αλυσίδας ακολουθούν τροποποιήσεις των
ομάδων R και τελικώς η πρωτεΐνη λαμβάνει μια τελική διαμόρφωση.
- Η μετακίνηση των πρωτεϊνών εντός κυττάρου γίνεται με της βοηθεια
σηματοδοτικών πεπτιδίων. Υπάρχουν υποδοχείς και δίαυλοι που επιτρέπουν
τη διαμετακίνηση.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης.
- Α.
1. Αντινοηματικός είναι ο κλώνος-εκμαγείο. Ο κλώνος που έχει νοήμα είναι
εκείνος που η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων του ταυτίζεται με εκείνη του
mRNA και όχι εκείνος που έχει συμπληρωματική λειτουργία.
119
Τόμος Β
-
-
-
-
Βιοχημεία
2. Εξόνια είναι περιοχές του DNA που κωδικεύουν τη σύνθεση μιας
περιοχής κάποιας πρωτεΐνης.
3. Ο γενετικός κώδικας είναι συνεχής και μη επικαλυπτόμενος.
4. Ο γενετικός κώδικας είναι καθολικός και ισχύει ο ίδιος και για
προκαρυωτικούς και ευκαρυωτικούς οργανισμούς.
Β. Η πρωτεϊνοσύνθεση στα κωδικόνια UAA, UAG, UGA, σταματα διότι δεν
υπάρχει μόριο tRNA το οποίο αναγνωρίζει κάποιο από αυτά τα κωδικόνια, με
εξαίρεση το UGA, το οποίο αναγνωρίζεται από το tRNA που μεταφέρει
σεληνοκυστεΐνη.
Δ. Τα μόρια του tRNA
1. Είναι σε θέση να αναγνωρίζουν περισσότερα από ένα κωδικόνια.
2. Αποτελούν υποστρώματα των συνθετασών των αμινοακυλο-tRNA.
Ε. Πιθανές αλληλουχίες κωδικονίων για το πεπτίδιο ser-tyr-arg-trp-his-leu
ειναι η UCU-UAU-CGU-UGG-CAU-CUU και η UCC-UAC-CGC-UGGCAC-CUC.
ΣΤ. Το πεπτίδιο που θα συντεθεί από ένα mRNA με την ακολουθία
AUGCCUUGUGAUAAGUAU είναι η met-pro-cys-asp-lys-tyr.
Ζ.
1. Στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς τα πιο πολλά γονίδια είναι συνεχή.
2. Την πληροφορία για τη σύνθεση της πρωτεΐνης την έχουν τα ιντρόνια.
3. Φωσφορυλίωση της υδροξυλομάδας της σερίνης γίνεται πριν την
ενσωμάτωση της σερίνης στην πρωτεΐνη.
4. Μεταξύ κωδικονίου και αντικωδικονίου αναπτύσσονται ομοιοπολικοί
δεσμοί.
Η.
1. Πρωτεΐνες που προορίζονται να μπούν στα μέσα στα μιτοχόνδρια
συνθέτονται με ένα επιπλέον πεπτίδιο που ονομάζεται σηματοδοτικό.
2. Η βιοσύνθεση των πρωτεϊνών ονομάζεται και μετάφραση του γενετικού
κώδικα.
3. Τα οργανίδια στα οποία γίνεται η σύνθεση των πρωτεϊνών είναι τα
ριβοσωμάτια.
4. Η τριάδα βάσεων του tRNA που αλληλεπιδρά με το κωδικόνιο καλείται
GTP.
Θ.
1. σηματοδοτικό πεπτίδιο  διέλευση μέσα από εμβράνη
2. εκφύλιση  γενετικός κώδικας
3. AUG  μεθειονίνη
4. πρωτεΐνη συνοδός  τριτοταγής δομή πρωτεϊνών
5. πρωτεϊνοσύνθεση  μετάφραση γενετικού κώδικα.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8
Εισαγωγή
- Η σημασία των ανόργανων ιόντων και ο ρόλος των βιταμινών στους
οργανισμούς.
- Οι βιταμίνες και οι οργανικές ενώσεις έχουν δυο κοινά χαρακτηριστικά με τα
ανόργανα ιόντα:
1. και τις δυο κατηγορίες ενώσεων τις προσλαμβάνουμε με τις τροφές.
120
Τόμος Β
-
Βιοχημεία
2. χρειάζεται να τα προσλαμβάνουμε σε μικροποσά (μg-mg), καθημερινά.
Τα Na+, Cl-, Ca2+ προσλαμβάνονται και αποβάλλονται ως έχουν, χωρίς αλλαγή
σθένους. Οι Fe, Cu αλλάζουν σθένος διότι συμμετέχουν σε διεργασίες
μεταφοράς ηλεκτρονίων.
Ιόντα: Υπάρχουν μηχανισμοί για διαμεταφορά ιόντων εντός-εκτός κυτταρων.
Βιταμίνες: συμμετέχουν ως συνένζυμα.
Ενότητες:
8.1 το νερό στα ζωντανα κύτταρα
8.2 ανόργανα ιόντα στα ζωντανά συστήματα
8.3 βιταμίνες.
8.1 Το νερό στα ζωντανά συστήματα.
- Φυσικές ιδιότητες νερού:
1. Το νερό έχει υψηλότερα σ.τ., σ.ζ. από ανάλογου μεγέθους μόρια (πχ
αμμωνίας ΝΗ3, υδροθείου H2S).
2. Το νερό είναι πυκνότερο από τον πάγο.
3. Δημιουργεί δεσμούς Η (βλ 2.2.2). Το νερό είναι δότης όσο και αποδέκτης
δεσμών Η.
4. Το νερό είναι δίπολο, έχει διπολική ροπή με κατεύθυνση προς το Ο. Το Ο
έχει περίσσεια αρνητικού φορτίου, ενώ του Η έχει περίσσεια θετικού.
- Οι ιδιότητες αυτές του νερού είναι πολύ παραίτητες για τη μορφή της ζωής
στη γη.
8.1.1 Το νερό είναι ο μόνος διαλύτης στους ζωντανούς οργανισμούς.
- Το σώμα αποτελείται από μεγάλο ποσοστό από νερό, γιατί οτιδήποτε είναι
διαλυμένο στα ενδοκύτταρα και εξωκυτταρια υγρά, είναι διαλυμένο στο νερό.
- Υδρόφιλες ενώσεις: Το νερό διαλύει οτιδήποτε αναπτύσει δεσμούς Η, δηλ
υδρόφιλες ενώσεις.
- Υδρόφοβες ενώσεις: δεν αναπτύσουν δεμούς Η και δεν διαλύονται από το
νερό. Πχ οι υδρογονάνθρακες.
- Ιονικές ενώσεις: είναι τα κατιόντα και τα ανιόντα. Διαλύονται στο νερό λόγω
της μεγάλης τους πολικότητας.
- Τα μη διαλυτά συστατικά του σώματος απαντούνται ως
1. υπερμορικά σωμάτια- ινίδια, πχ χρωματίνη, κολλαγόνα ινίδια,
ριβοσώματα κλπ.
2. βιολογικές μεμβράνες, πχ φωσφογλυκερίδια, κλπ
3. συμπλοκοποιημένα με πρωτεΐνες, πχ τριγλυκερίδια, στεροειδή, θυροξίνη.
8.1.2 Το νερό σταθεροποιεί δομές.
- Μόρια νερού παρεμβαίνουν στην διαμόρφωση μιας πρωτεΐνης αναπτύσσοντας
δεσμούς Η είτε μεταξύ απομακρυσμένων ομάδων R μιας πεπτιδικής αλυσίδας,
είτε μεταξύ ομάδων R δυο διαφορετικών υπομονάδων της πρωτεΐνης.
- Το νερό σταθεροποιεί και ετερογενή σύμπλοκα, πχ μεταξύ μιας πρωτεΐνης και
μιας περιοχής του νουκλεϊκού οξέος.
8.3.1 Το νερό συμμετέχει ως αντιδρών σώμα σε πολλές ενζυμικές αντιδράσεις.
- Οι υδρολάσες (ένζυμο, βλ 2.4.3) χρησιμοποιεί υπόστρωμα Η2Ο.
- Οι λυάσες χρησιμοποιούν νερό προκειμένου να προσθέσουν -ΟΗ και -Η σε
διπλούς δεσμούς.
121
Τόμος Β
-
Βιοχημεία
Η φωτεινή αντίδραση της φωτοσύνθεσης ξεκινά με απόσπαση ηλεκτρονίων
από το νερό (βλ 3.5).
8.2 Ανόργανα ιόντα στα ζωντανά συστήματα.
- Στο σώμα, σε μεγάλη ποσότητα είναι μόνο το Ca (~1kgr).
- Τα K, Na, Ph είναι της τάξεως των gr και ο χαλκός, ψευδάργυρος και
μαγγάνιο, είναι της τάξεως των mg, για αυτό λέγονται και ιχνοστοιχεία.
- Όλοι οι μηχανισμοί μεταφοράς ηλεκτρονίων έχουν αναπτυχθεί γύρω από τον
σίδηρο.
- Η φωτοσύνθεση απαιτεί το μαγνήσιο της χλωροφύλλης.
8.2.1 Η μετακίνηση ανόργανων ιόντων μέσα από μεμβράνες.
- Τα ιόντα δεν διαμετακινούνται ελεύθερα μέσα στις μεμβράνες λόγω της
διπλοστιβάδας των λιπιδίων των κυτταρικών μεμβρανών που δεν επιτρέπει
την ελεύθερη κυκλοφορία των υδρόφιλων ουσιών, που είναι τα ιόντα.
- Υπάρχει διαφορετική συγκέντρωση των ιόντων στον ενδοκυττάριο και
εξωκυττάριο χώρο:
Ιόν
ενδοκυττάριος χωρος
εξωκυτταριος χώρος
1. Na+
10mM
142mM
+
2. K
5mM
100mM
3. Ca2+
0.1mM
2.8mM
Αντλίες ιόντων: όταν ιόν χρειάζεται να μετακινηθεί από περιοχή χαμηλής σε
υψηλής συγκέντρωσης, καταναλώνεται ενέργεια που λαμβάνεται από
υδρόλυση μορίων ΑΤΡ. Οι αντλίες ιόντων είναι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες που
οι υπομονάδες τους δεσμεύουν ιόντα από την πλευρά της μεμβράνης με
χαμηλή συγκέντρωση και τα απελευθερώνουν προς την πλευρά με υψηλή
συγκέντρωση. Η αντλία-πρωτεΐνη αλλάζει διαμόρφωση. Υπάρχει αντλία Na-Κ
και Ca.
- Αντλία νατρίου-καλίου: η πρωτεΐνη αλλάζει διαμόρφωση όταν
φωσφορυλιώνεται. Στη μη φωσφορυλιωμένη μορφή δεσμεύει Na+ από την
κυτταροπλασματική πλευρά της μεμβράνης που ενεργοποιεί την αντλία. Η
φωσφορυλιωμένη μορφή αλλάζει διαμόρφωση ωστε να μην αναγνωρίζει το
Na+ ως προσδέτη και το απελευθερώνει προς την εξωκυττάρια πλευρά (όπου
και η υψιλή συγκέντρωση Na+. Η φωσφορυλιωμένη μορφή αναγνωρίζει τον
προσδέτη Κ+ και τον δεσμευει. Με τη δέσμευση του Κ+ υδρολύεται το
φωσφορικό και η πρωτεΐνη μεταπίπτη στη μη φωσφορυλιωμένη μορφή που
δεν αναγνωρίζει το Κ+, αλλά το δεσμεύει το Na+. Για κάθε ΑΤΡ που
υδρολύεται μπαίνουν 2 Κ+ και βγαίνουν 3 Na+.
- Κανάλια ιόντων: εκτελούν την αντίθετη διαδικασία της αντλίας ιόντων, δηλ
διαμετακινούν ιόντα από περιοχή μεγάλης συγκέντρωσης σε μικρή
συγκέντρωση, με διάχυση. Για να λειτουργήσει ένα κανάλι πρέπει να είναι σε
λειτουργία μια αντλία που να δημιουργεί διαφορά συγκέντρωσης. Τα κανάλια
έχουν δυο διαμορφώσεις: ανοικτή και κλειστή.
- Αισθήσεις: στους μηχανισμούς των αισθήσεων (γεύση, ακοή, όραση)
συμμετέχουν διάφορα κανάλια ιόντων.
- Μεταφορείς ιόντων: οι διεμεμβρανικές πρωτεΐνες που δρουν ως μεταφορείς
ιόντων, έχουν περιοχές δέσμευσης ιόντος-προσδέτη που ανάλογα με την
διαμόρφωση άλλοτε δεσμεύουν το ιόν και άλλοτε το απελευθερώνουν. Η
μεταφορά ιόντος (πχ Να+, Η+) γίνεται ταυτόχρονα με τη μεταφορά οργανικής
ένωσης (πχ υδατάνθρακα, αμινοξέος) και αν γίνεται στην ίδια κατεύθυνση
122
Τόμος Β
-
Βιοχημεία
λέγεται συμμεταφορά (πχ συμμεταφορέας Να+-γλύκόζης), ενώ σε αντίθετη
αντιμεταφορά (αντιμεταφορέας Cl—HCO3-).
Ιονοφορείς: είναι αντιβιοτικά που αυξάνουν τη διαπερατότητα
μιτοχονδριακών μεμβρανών. Διακρίνονται στους κινητούς και στους
δημιουργούς καναλιών.
8.2.2 Τα κατιόντα.
- Κύριο κατιόν εξωκυττάριων υγρών είναι το Να+ του δε ενδοκυττάριου χώρου
το Κ+.
- Η συγκέντρωση του ενδοκυττάριου Ca2+ είναι 10.000-πλάσια μικρότερη από
του εξωκυττάριου.
- Ο Fe3+ λειτουργεί ως όχημα μεταφοράς ηλεκτρονίων (αναπνευστική αλυσίδα,
φωτοσύνθεση κλπ). Απορροφάται από τη φερριτίνη και κυκλοφορεί με τη
βοήθεια της σιδηροφιλίνης. Συμπλοκοποιείται με πρωτεΐνες (κυττοχρώματα,
αιμοσφαιρίνη, μυοσφαιρίνη, σιδηροθειούχες πρωτεΐνες κ.α.).
- Οι ψευδάργυρος, χαλκός, κάδμιο, υδράργυρος, δεσμεύονται από την πρωτεΐνη
μεταλλοθειονεΐνη και κυκλοφορούν.
8.2.3 Τα ανιόντα.
- Χλωροιόντα (Cl-): προσλαμβάνονται από το αλάτι. Διατηρούν την ιοντική
ισορροπία και παράγουν HCl στο στομάχι.
- Φωσφορικά: αδιάλυτα άλατα του ασβεστίου στα οστά. Είναι και κύρια
ρυθμιστικά ιόντα του ενδοκυτατρικού χώρου, λόγω της σχέσης Η2ΡΟ4-/ΗΡΟ42ρυθμίζει το ενδοκυτταρικό pH.
- Διττανθρακικά: το σύστημα H2CO3/HCO3- ρυθμίζει το pH. Προέρχονται από
το CO2: CO2 + H2O  H2CO3  H+ + HCO3- .
- Φθοριούχα (F-): στα οστά και δόντια.
- Ιωδιούχα (Ι-): απαραίτητα για τη σύνθεση της ορμόνης θυροξίνης.
8.3 Βιταμίνες.
- Βιταμίνες: είναι συνένζυμα ή αποτελούν μέρος συνενζύμου. Τις κατατάσουμε
σε υδατοδιαλυτές και λιποδιαλυτές. Ονομάζονται A, B, C, D, E, K και
υποδιαιρούνται πχ σε Β1, Β2, D1, D2, κλπ.
8.3.1 Υδατοδιαλυτές βιταμίνες.
- Υδατοδιαλυτές βιταμίνες είναι οι βιταμίνες Β, C.
- Βιταμίνη C (ασκορβικό οξύ): Λειτουργεί ως οξειδωτικός παράγοντας και
συμμετέχει στις αντιδράσεις που οδηγούν στην υδροξυλίωση της προλίνης
στο μόριο του κολλαγόνου (βλ 2.3).
8.3.2 Λιποδιαλυτές βιταμίνες.
- Λιποδιαλυτές ενώσεις είναι οι βιταμίνες A, D, E, K.
- Βιταμίνη Α (ρετινάλη): πρόσθετη ομάδα της πρωτεϊνικής χρωστικής
ροδοψίνης, που συμμετέχει στο μηχανισμό της οπτικής διέγερσης. Τα
καροτένια (βλ 4.2.1) είναι πρόδρομη της ρετινάλης.
- ΒιταμίνηΚ: συντελεί στη πήξη του αίματος.
- Βιταμίνη Ε (τοκοφερόλη): αντιοξειδωτικός παράγοντας και προστατεύει τα
πολυακόρεστα λιπαρά οξέα από αυτοξείδωση (βλ κεφ 4).
- Βιταμίνη D: πρόδρομή της είναι η χοληστερόλη που δίνει προβιταμίνες υπό
ηλιακή ακτινοβολία. Η D θεωρείται και ορμόνη.
123
Τόμος Β
Βιοχημεία
Σύνοψη
- Το νερό είναι θεμελιώδες συστατικό του σώματος. Δρα ως διαλύτης, αντιδρών
σώμα και σταθεροποιητής δομών. Είναι διπολο και δότης και αποδέκτης
δεσμών Η.
- Κατιόντα: Να+ (εξωκυτταρικό), Κ+ (ενδοκυτταρικό).
- Ανιόντα: χλωριόντα, φωσφορικά (ρυθμίζουν pH εντός κυττάρου),
διττανθρακικά (ρυθμίζουν pH εκτός κυττάρου).
- Τα ανόργανα ιόντα διαχέονται δύσκολα μέσα από τις λιπιδικές μεμβράνες
λόγω της υδρόφιλης φύσης τους.
- Υπάρχουν μηχανισμοί που στηρίζονται στις πρωτεΐνες, όπως αντλίες, κανάλια
και μεταφορείς, ώστε να διαπερνούν τα ιόντα τις βιολογικές μεμβράνες.
- Τα ιόντα προσλαμβάνονται από το περιβάλλον με τροφή.
- Βιταμίνες: λειτουργούν ως συνένζυμα ή ενσωματώνονται μέσα σε συνένζυμα.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης.
- Α.
1. Το νερό αναπτύσει δεσμούς Η με οποιοδήποτε μόριο που περιλαμβάνει Ο,
Ν.
2. Το νερό συμμετέχει στις ενζυμικές αντιδράσεις ως υπόστρωμα.
3. Τα ανόργανα ιόντα δεν διαχέονται ελεύθερα μέσα από τις βιολογικές
μεμβράνες.
4. Τα ακόρεστα λιπαρά οξέα είναι απαραίτητα. Υπάρχουν βιταμίνες (C,D)
που δεν είναι αμίνες.
5. Οι βιταμίνες προσλαμβάνονται από τα θυλαστικά αλλά όχι απο τα φυτά
που τις φτιάχνουν.
- Β.
1. Το νερό αναπτύσει δεσμούς Η με υδατάνθρακες.
2. Το νερό σταθεροποιεί τις δομές των πρωτεϊνών.
3. Όταν πρωτεΐνη μεταφέρει στο κύτταρο αμινοξύ μαζί με ιόν λέγεται
συμεταφορέας.
4. Οι περισσότερες βιταμίνες λειτουργούν ως συνένζυμα.
5. Οι βιταμίνες Β είναι υδατοδιαλυτές.
6. Οι αντλίες ιόντων μετακινούν τα ιόντα προς πυκνότερα διαλύματα.
- Γ.
1. Διεργασία που ο σίδηρος αλλάζει σθένος: αναπνευστική οδό (βλ 3.3),
φωτεινών αντιδράσεων της φωτοσύνθεσης (βλ 3.5), οξειδασων (βλ 3.5).
2. Διεργασίες που ο χαλκός αλλάζει σθένος: χαλκοπρωτεΐνη πλαστοκυανίνη
κατά τη μεταφορά ηλεκτρονίων από το φωτοσύστημα ΙΙ στο Ι, και στις
φωτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης (βλ 3.5).
- Δ. Αντιδράσεις του νερού=αντίδραση υδρόλυσης.
- Ε.
1. Κατά τη λειτουργια των αντλιών ιόντων υδρολύεται ΑΤΡ.
2. Η R ομαδα του γ-καρβοξυ-γλουταμινικού οξέος συμβάλλει στην
δέσμευση Ca2+.
3. Το pH του ενδοκυττάριου χώρου ρυθμίζεται από τη σχέση Η2ΡΟ4-/ΗΡΟ42-.
4. Το ανόργανο ιόν που προκύπτει από την οξείδωση οργανικών ενώσεων
είναι το HCO3-.
5. Το κύριο εξωκυττάριο κατιόν είναι το Να+.
124
Τόμος Β
-
-
-
Βιοχημεία
6. Η βιταμίνη D συμμετέχει στο μεταβολισμό του Ca2+.
7. Οι βιταμίνες που λειτουργούν ως αντιοξειδωτικοί παράγοντες είναι οι C,
E.
ΣΤ. 4 πρωτεΐνες που συμπλοκοποιείται ο σίδηρος:
1. αιμοσφαιρίνη: μεταφέρει Ο2.
2. μυοσφαιρίνη: αποθηκεύει Ο2.
3. φερριτίνη: αποθηκεύει σίδηρο.
4. κυττοχρώματα: μεταφέρουν ηλεκτρόνια.
Ζ. Οι βιαταμίνες χρειάζονται σε καταλυτικά μόνο ποσά, διότι ως συνένζυμα
που είναι ανεγεννιούνται συνεχώς (βλ 3.2.1).
Η. Οι αντλίες ιόντων :
1. λειτουργούν αλλάζοντας διαμόρφωση φωσφορυλίωση/ αποφωσφορυλίωση.
2. είναι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες που αναγνωρίζουν ως προσδέτες
συγκεκριμένα ιόντα.
Θ.
1. ιονοφορείς  αντιβιοτικό
2. νερό  διπολικά μόρια
3. σίδηρος  φερριτίνη
4. ψευδάργυρος  ιχνοστοιχείο
5. βιταμίνη C  ασκορβικό οξύ
6. βιταμίνη Κ  πήξη αίματος.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9
Εισαγωγή
- Οι αντιδράσεις στους οργανισμούς δεν είναι αυτόνομες και δεν προχωρούν
ανεξάρτητα η μια από την άλλη. Ασκείται συνεχής έλεγχος των διεργασιών
είτε ενδογενώς είτε από έξω. Έτσι γίνεται η μεγαλύτερη δυνατη οικονομία σε
ενέργεια και πρώτες ύλες.
- Οι μεταβολικοί οδοί, όπως γλυκολυτική οδός, κύκλος Krebs,
πρωτεϊνοσύνθεση, οξειδωτική φωσφορυλίωση δεν προχωρούν ανεξάρτητα η
μια από την άλλη.
- Υπάρχει αλληλεξάρτηση των μεταβολικών οδών
1. είτε γιατί τα προϊόντα της μιας είναι υπόστρωμα ή τροποποιητές για τα
ένζυμα της άλλης,
2. είτε διοτι επικοινωνούν μεταξύ τους με διάφορα χημικά μηνύματα,
3. είτε μια ή περισσότερες επηρεάζονται από ερεθίσματα του περιβάλλοντος,
μέσω χημικων μηνυμάτων.
- Οι βιοχημικές αντιδράσεις υπακούουν στους θερμοδυναμικούς νόμους και
στους νόμους δράσης των μαζών. Η έκταση της αντίδρασης ελέγχεται από τη
σταθερά ισορροπίας Κ.
- Οι βιοχημικές αντιδράσεις είναι ενζυμικές, δηλ καταλυόμενες. Ελέγχονται
από
1. τις ιδιότητες των ενζύμων (βλ 2.4)
2. από το αλλοστερικό φαινόμενο (βλ 2.5).
125
Τόμος Β
-
Βιοχημεία
3. ρυθμούς που συνθέτονται/αποικοδομούνται τα ένζυμα.
4. επικοινωνία κυττάρων.
5. διαφορετικότητα ιστών, πχ το πάγκρεας συνθέτει τα ένζυμα του
παγκρεατικού υγρού και την ορμόνη ινσουλίνη, ενώ το ήπαρ συνθέτει την
αλβουμίνη του αίματος.
Υπάρχουν ενώσεις μηνύματα που μεταφράζονται σε διεργασίες με σκοπό
αντιμετώπισης κατάστασης του περιβάλλοντος.Η αναγνώριση των μηνυμάτων
στηρίζεται στους υποδοχείς.
Ενότητες:
9.1 Ρυθμιστικά μόρια
9.2 Μοριακοί μηχανισμοί μεταφοράς μηνυμάτων.
9.1 Ρυθμιστικά μόρια.
- Τα ρυθμιστικά μηνυματοφόρα μόρια τα κατατάσουμε σε ορμόνες,
νευροδιαβιβαστές, αυξητικούς παράγοντες, κυττοκίνες.
9.1.1 Ορμόνες παράγονται σε ενδοκρινείς αδένες και δρουν κατά κανόνα σε απομακρυσμένα κύτταρα.
- Ενδοκρινείς αδένες: είναι όργανα που παράγουν ορμόνες. Τέτοια είναι ο
θυροειδής, επινεφρίδια, όρχεις, ωοθήκες κ.α. Κατατάσσονται σε
πεπτιδορμόνες, ορμόνες-παραγωγα αμινοξέων, στεροειδείς ορμόνες, ορμόνες
παράγωγα λιπαρών οξέων.
- Πεπτιδορμόνες: περιέχουν μέχρι 200 αμινοξέα, παράγονται στον εγκέφαλο
(υποθάλαμο, υπόφυση). Διακρίνονται σε:
1. θυροτροπίνη, που διεγείρει τον θυροειδή αδένα και παράγει θυροξίνη.
2. κορτικοτροπίνη, δρα στις επινεφρίδες
3. ισουλίνη (βλ 7.2.1) παράγεται στο πάγκρεας
4. γλυκαγόνο, παράγεται στο πάγκρεας.
- Ορμόνες-παράγωγα αμινοξέων:
1. αδρεναλίνη, παράγεται στο μυελό των επινεφρίδων
2. επινεφρίνη, ομοίως
3. θυροξίνη, την παράγει ο θυροειδής αδένας.
- Στεροειδείς ορμόνες:
1. κορτικοστεροειδή, παράγεται στις επινεφρίδες.
2. γλυκοκορτικοειδη, πχ η κορτιζόλη
3. μεταλλοκορτικοειδή, πχ η αλδοστερόνη.
4. ανδρογόνα, πχ η τεστοστερόνη που είναι φυλετική ορμόνη των όρχεων
5. προγεστερόνη, των ωοθηκών
6. οιστρογόνα, πχ η οιστραδιόλη των ωοθηκών.
- Ορμόνες –παράγωγα λιπαρών οξέων: το αραχιδονικό οξύ (βλ 4.2.1) είναι
πρόδρομη των προσταγλανδινών. Το αιθυλένιο είναι ορμόνη των φυτών.
9.1.2 Νευροδιαβιβαστές ελευθερώνονται σε νευρικές απολήξεις και μεταβάλλουν
τη δραστηριότητα γειτονικών νευρώνων ή επηρεάζουν τη δράση κάποιου οργάνου στην περιφέρεια.
- Είδη νευροδιαβιβαστών:
1. αμινοξέα: γλυκίνη, γλουταμινικό οξύ, γ-αμινοβουτυρικό οξύ.
2. αποκαρβοξυλιωμένα
παράγωγα
αμινοξέων:
ακετυλοχολίνη,
νοραδρεναλίνη, σεροτονίνη, ντοπαμίνη, (βλ 5.3.3).
3. πεπτίδια: αγγειοτενσίνη ΙΙ, εγκεφαλίνες, ενδορφίνες.
126
Τόμος Β
Βιοχημεία
4. οξείδιο αζώτου (ΝΟ): ενεργοποιητής του γλουανιλικού οξέος (βλ 5.3.3).
9.1.3 Αυξητικοί παράγοντες είναι πολυπεπτίδια που προκαλούν υπερτροφία ή
υπερπλασία των κυττάρων-στόχων.
- Αυξητικοί παράγοντες: Ανακαλύφθηκαν 40 αυξητικοί παράγοντες που είναι
όλοι πολυπεπτίδια. Κάνουν τα εξής:
1. διεγείρουν αναβολικές διεργασίες στα κύτταρα στόχους
2. ρυθμίζουν την έκφραση γονιδίων (επίπεδο μεταγραφής είτε μετάφρασης).
3. χρειάζονται στον πολλαπλασιασμό των κυττάρων .
- Μεταλλάξεις αυξητικών παραγόντων οδηγούν σε νεοπλασία.
- Είδη αυξητικών παραγόντων:
1. επιδερμικός (EGF)
2. που προέρχεται από αιμοπετάλια (PDGF)
3. μοιάζουν την ινσουλίνη (IGF I, II)
9.1.4 Κυττοκίνες είναι πρωτεΐνες με πλειοτροπικές δράσεις.
- Κυττοκίνες: ανήκουν δυο οικογένειες πρωτεϊνών
1. ιντερφερόνες, δρουν εναντίον ιών και πρωτοζώων, είναι ρυθμιστές του
ανοσολογικού συστήματος, ρυθμίζουν την ανάπτυξη κυττάρων και
ενεργοποιούν γονίδια.
2. ιντερλευκίνες: σε ανοσολογικές και φλεγμονώδεις αντιδράσεις.
9.2 Μοριακοί μηχανισμοί μεταφοράς μηνυμάτων.
- Ο έλεγχος του ρυθμού των αντιδράσεων εξαρτάται από τα ένζυμα που
καταλύουν τις αντιδράσεις. Στην επικοινωνία όμως μεταξύ κυττάρων τα
ένζυμα δεν αρκούν. Το εξωτερικό ερέθισμα πρέπει να μεταφερθεί στο
εσωτερικό του κυττάρου και γίνεται με δυο τρόπους:
1. υπάρχει ένας μεσάζων στη μεμβράνη του κυττάρου που αλληλεπιδρά με
την πηγή του ερεθίσματος στο εξωτερικό και μεταφέρει το ερέθισμα στο
εσωτερικό.
2. να μπει στο κύτταρο η φυσική ή χημική οντότητα που είναι η πηγή του
ερεθίσματος και εκεί να κάνει απευθείας την δουλειά της ή να την κάνει
με μεσάζοντα.
- Λειτουργία του υποδοχέα: Το ρόλο του μεσάζοντα παίζουν πλήθος πρωτεϊνών
που λέγονται υποδοχείς που αναγνωρίζουν και αλληλεπιδρούν με προσδέτη
(πηγή του ερεθίσματος). Ο προσδέτης προκαλεί μια αλλοστερική μετάπτωση
(βλ 2.5) στον υποδοχέα. Ο υποδοχέας μετατρέπεται σε κανάλι ιόντων. Οι
υποδοχείς διακρίνονται σε μεμβρανικούς και διαλυτούς.
9.2.1 Μεμβρανικοί υποδοχείς.
- Προσδέτες μεμβρανικών υποδοχών: είναι τα πληροφοριακά μόρια που δεν
διαπερνούν εύκολα τις μεμβράνες. Τέτοια μόρια είναι τα: υδρόφιλα, πχ
πεπτιδορμόνες, ορμόνες-παράγωγα αμινοξέων, νευροδιαβιβαστές, κυττοκίνες,
ανόργανα ιόντα.
- Κατηγορίες υποδοχέων:
1. Μεμβρανικοί υποδοχείς που οδηγούν στη παραγωγή δεύτερων μηνυμάτων.
Η αλληλεπίδραση προσδέτη-υποδοχέα ενεργοποιεί ένα ένζυμο υπεύθυνο
για τη σύνθεση ουσίας που είναι δεύτερο μήνυμα (καθώς το πρώτο μήνυμα
είναι ο προσδέτης – ορμόνη, νευροδιαβιβαστής κλπ). Τέτοια δεύτερα
μηνύματα είναι τα εξής:
127
Τόμος Β
Βιοχημεία
α. κυκλικό αδενυλικό οξύ (cAMP), ενεργοποιεί κινάσες πρωτεΐνες.
β. κυκλικό γουανιλικό οξύ (cGMP), συμμετέχει στην οπτική διέγερση.
γ. διακυκλογλυκερόλη
δ. 1,4,5 τριφωσφορική ινοσιτόλη.
2. Μεμβρανικοί υποδοχείς που ρυθμίζουν την λειτουργία των καναλιών
ιόντων. Ανάλογα με το ερέθισμα οπου δίνουν ανοίγουν/κλείνουν κανάλια
ιόντων Κ+, Ca+.
3. Υποδοχείς μεμβρανών που λειτουργούν ως κανάλια ιόντων. Επηρεάζουν
την διέλευση ιόντων, πχ ο υποδοχέας του γλουταμινικού οξέος είναι
κανάλι Na+/Κ+ , ο υποδοχέας του γ-αμινοβουτυρικού οξέος είναι κανάλι
Cl-.
4. Υποδοχείς μεμβρανών που έχουν δράση κινάσης πρωτεϊνών (τυροσίνη).
9.2.2 Διαλυτοί υποδοχείς.
- Υδρόφοβα πληροφοριακά μόρια που δεν έχουν προβλημα να διαπεράσουν
λιπιδικές μεμβράνες βρισκουν υποδοχείς μέσα στο κυτταρόπλασμα (που είναι
διαλυτό). Τέτοια είναι οι στεροειδείς ορμόνες καθώς και η θυροξίνη. Το
σύμπλοκο ορμόνης-υποδοχέα μεταφέρεται στον πυρήνα του κυττάρου και
αλληλεπιδρά με γονίδια.
- Το οιστρογόνο (στεροειδές) έχει περιοχές που αλληλεπιδρούν με DNA
(λέγονται δάκτυλα ψευδαργύρου).
9.2.3 Το Ca2+ ως δεύτερο μήνυμα.
- Υπάρχουν διαφορές μεταξύ ενδοκυτταρίας-εξωκυττάριας συγκέντρωσης του
Ca2+ (βλ 8.2.2).
- Στην κυτταροπλασματική μεμβράνη υπάρχει αντλία και κανάλι Ca καθώς και
αντιμεταφορέας Ca/Na. Ένα ιόν Ca βγαινει από το κύτταρο για κάθε τρία
ιόντα Na που μπαίνουν.
- Μεταφορά Ca γίνεται και στο ανδοπλασματικό δίκτυο και τα μιτοχόνδρια.
- Κύρια δουλειά του ενδοκυτταρικού Ca2+ είναι η ενεργοποιηση λειτουργικών
πρωτεϊνών και ενζύμων.
- Ένζυμα που ενεργοποιούνται από το σύμπλοκο Ca-καλμοδουλίνης: κινάσες
πρωτεϊνών, πρωτεάσες, φωσφοδιεστεράση κυκλικών νουκλεοτιδίων,
αδενυλική κυκλάση, η αντλία του Ca κ.α.
- Το ιονικό Ca ενεργοποιεί: την μυοσίνη (που ενεργοποιεί το ΑΤΡ, βλ 2.3), την
κινάση C πρωτεϊνών, ένζυμα που υδρολύουν DNA, RNA κ.α.
Σύνοψη.
- Υπάρχουν οικογένειες ρυθμιστικών μορίων που συμμετέχουν στη μεταφορά
μηνυμάτων από
1. περιβάλλον τους οργανισμούς
2. από κύτταρο σε απομακρυσμένη ομάδα κυττάρων
- Κατηγορίες ρυθμιστικών μορίων:
1. ορμόνες
2. νευροδιαβιβαστές
3. κυττοκίνες
- Για τη μεταφορά μηνυμάτων υπάρχουν οι υποδοχείς που είναι πρωτεΐνες που
αναγνωρίζουν τα πληροφοριακά μόρια-προσδέτες. Είδη υποδοχέων
1. μεμβρανικοί
2. ενδοκυττάριοι διαλυτοί υποδοχείς.
128
Τόμος Β
-
Βιοχημεία
Αλληλεπίδραση προσδέτη-με μεμβρανικό υποδοχέα μπορεί να δημιουργήσει
δεύτερο μηνυμα που τροποποιεί τη δράση αντιδράσεων εντός του κυττάρου.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης.
- Α.
1. Τα ρυθμιστικά μόρια δεν είναι όλα πρωτεϊνικής φύσεων, αλλά τα
περισσότερα είναι (πχ αμινοξέα, πεπτίδια). Υπάρχουν όμως ρυθμιστικά
μόρια από στεροειδή (φυλετικές ορμόνες), παράγωγα λιπαρών οξέων
(προσταγλανδίτες) και ανόργανες ενώσεις (ΝΟ).
2. Όλοι οι υποδοχείς είναι πρωτεϊνικής φύσεως.
3. Ορισμένα αμινοξέα λειτουργούν ως νευροδιαβιβαστές.
4. Και τα φυτά και τα ζώα έχουν ορμόνες.
5. Υπάρχουν κανάλια ιόντων που δεν είναι υποδοχέας G-πρωτεΐνη.
6. Οι κινάσες πρωτεϊνών ενεργοποιούνται από cAMP, διακυλογλυκερόλη
κ.α.
- Β.
1. Η πρόδρομη ένωση όλων των στεροειδών ορμονών είναι η χοληστερόλη.
2. Αλληλεπίδραση νευροδιαβιβαστή-υποδοχέα έχει αποτέλεσμα την
αλλοστερική μετάπτωσή του υποδοχέα.
3. Η νοραδρεναλίνη είναι παράγωγο του αμινοξέος τυροσίνη,
4. Η αργινίνη είναι πρόδρομη ένωση του νευροδιαβιβαστή ΝΟ.
5. Το γ-αμινοβουτυρικό οξύ είναι προϊόν αποκαρβοξυλίωσης του αμινοξέος
γλουταμινικό οξύ.
- Γ. Η ινσουλίνη (ορμόνη) δεν χρειάζεται να μπει μέσα στο κύτταρο στόχο για
να δράσει, λόγω ότι αντιδρά με μεμβρανικούς υποδοχείς στην εξωτερική
πλευρά του κυττάρου και μεταβιβάζεται χημικό μήνυμα στο εσωτερικό του
κυττάρου με την αλλοστερική μετάπτωση του υποδοχέα, χωρίς να μπει η
ορμόνη (ινσουλίνη) μέσα στο κύτταρο.
- Δ. Ουσίες που δρουν ως δεύτερα μηνύματα:
1. κυκλικό αδενυλικό οξύ
2. κυκλικό γουανιλικό οξύ
3. διακυλογλυκερόλη
4. 1,4,5 τριφωσφορική ινοσιτάλη
5. Ca2+.
- Ε.
1. Τεστοστερόνη  διαλυτοί υποδοχείς
2. ιντερφερόνες  κυττοκίνη
3. cGMP  οπτική διέγερση
4. θυροξίνη  τυροσίνη
5. καλμοδουλίνη  ασβέστιο
6. κινάση πρωτεϊνών  cAMP
129
Τόμος Γ
Μοριακή Βιολογία
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1
Εισαγωγή
- Η βιοχημεία μελετά τα νουκλεϊκά οξέα ως μοριακές οντότητες, δηλ τη δομή
τους, βιοσύνθεση και καταβολισμό τους.
- Η μοριακή βιολογία ασχολείται με την λειτουργικότητα των μορίων αυτών,
που σχετίζεται με τη δομή τους.
1.1 Πριν από το DNA.
- Το DNA είναι ο φορέας της γενετικής πληροφορίας.
- Οι πρωτεΐνες (ένζυμα) μαζί με το RNA αντιγράφουν και μεταφράζουν τη
γενετική πληροφορία.
- Ένζυμα (πρωτεΐνες): αντιγραφουν την αλληλουχία των δεοξυνουκλεοτιδίων
(γενετική πληροφορία) σε νέα μόρια DNA/RNA.
- Ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σύμπλοκα με τη βοήθεια πρωτεϊνών μεταφράζουν
την αλληλουχία νουκλεοτιδίων σε αλληλουχία αμινοξέων.
- Αρχικά οργανικά μόρια (εμφανίστηκαν πριν 4.5 δις χρόνια): πουρίνη,
πυριμιδίνη, αμινοξέα κ.α.
- Προβιοτική σούπα: τα νερά του πλανήτη, πλούσια σε οργανικά μόρια. Τότε
δεν υπήρχαν μικρόβια για να τα φάνε όπως σήμερα.
- Αντιγραφή του DNA (αυτοπολλαπλασιασμός): γίνεται μόνο με παρέμβαση
ενζύμων.
- RNA: περιέχει 4 βάσεις, αδενίνη (Α), γουανίνη (G), κυτοσίνη (C), και
ουρακίλη (U) που μπορούν να συνδεθούν ανά δύο με δεσμούς Η, (A-U, G-C).
Έτσι ένα μόριο RNA δύναται να δεσμεύσει ένα συμπληρωματικό μόριο RNA.
- Ριβόζυμα: είναι το RNA σε μικροργανισμούς που υδρολύει και αποκαθιστά
φωσφοδιεστερικούς δεσμούς , έχουν δηλ ενζυμική δράση RNA.
- Υπάρχουν ιοί που το γενετικό τους υλικό δεν είναι DNA αλλά RNA.
- Δημιουργία RNA κατά Graham Cairns-Smith: πρότειναν οτι πυριτικοί
κρύσταλοι στον πυλό λειτουργούν ως αυτοπροσανατολιζόμενα συστήματα
στις επιφάνειες των οποιων προσροφώνται οργανικές ενώσεις που αντιδρούν
μεταξύ τους και πολυμερίζονται. Έτσι δημιουργήθηκαν τα πρώτα RNA που
πάνω στους κρυστάλλους αυτοπολλαπλασιάστηκαν. Έτσι δημιουργήθηκε ο
κόσμος του RNA. Στους τότε οργανισμούς το RNA ήταν η αποθήκη γενετικής
πληροφορίας, ρόλο που παιζει σήμερα το DNA/ mRNA.
- Τα πρώτα RNA-γονίδια δεν ήταν μεγαλύτερα των 100 νουκλεοτιδίων, οπότε
οι πρώτες πρωτεΐνες να είναι μεγέθους των 30 αμινοξέων.
- Ο κόσμος του RNA διήρκεσε αρκετές χιλιετίες μέχρι να εμφανιστεί το DNA.
- Η φυσική επιλογή επέλεξε το DNA ως αποθήκη πληροφορίας για τους εξής
λόγους:
1. Το DNA είναι σταθερότερο του RNA, διότι ο φωσφοδιεστερικός δεσμός
στο RNA υδρολύεται πιο εύκολα από ότι ο αντίστοιχος του DNA.
2. το RNA (mRNA) λειτούργησε ως μεταφορά γενετικής πληροφορίας,
οπότε μόνο το DNA μπορούσε να κρατησει την πληροφορία χωρίς
περιορισμό στο μέγεθος των γονιδίων.
3. επειδή το DNA αποτελείται από 2 κλώνους , οποιοδήποτε λάθος στην
ενσωμάτωση κάποιου νουκλεοτιδίου εύκολα διορθώνεται από το ένζυμο
που το συνθέτει μιας και ο απέναντυ κλώνος είναι μήτρα.
130
Τόμος Γ
-
Μοριακή Βιολογία
Ο υδρόφοβος πυρήνας του DNA (δηλ η εσωτερική του πλευρά) αποτελείται
από 4 βάσεις που αποκλείονται εξολοκλήρου από το νερό και έτσι να
προστατεύονται από χημικούς παράγοντες διαλυμένοι στο νερό.
1.2 Το γενετικό υλικό των ζωντανών οργανισμών είναι δίκλωνο DNA.
- Αρχικά το DNA θεωρούταν «πληκτικό» μόριο διότι θεωρούταν ένα απλό
τετρανουκλεοτίδιο. Η επικρατούσα άποψη ήταν ότι το γενετικό υλικό
αποτελούταν από πρωτεΐνες.
- Ο πνευμονιόκκοκος είναι βακτήριο και απαντάται σε δυο μορφές,
1. την S: λοιμογόνος, προκαλεί πνευμονία. Έχει βλεννώδες περίβλημα.
2. την R: μη μολυσματική μορφή. Δεν έχει βλεννώδες περίβλημα.
1.2.1 Τα δομικά στοιχεία του DNA που συμβάλλουν στη λειτουργικότητά του.
- Δομή DNA: μια διπλή περιεστραμμένη έλικα με δυο αντιπαράλληλους και
συμπληρωματικούς κλώνους πολυνουκλεοτιδίων (βλ κεφ 6 τόμος Β).
- Πολυνουκλεοτίδιο: είναι πολυμερές μόριο που τα μονομερή του είναι
μονονουκλεοτίδια που ενώνονται μεταξύ τους με φωσφοδιεστερικούς δεσμούς
που αναπτύσσονται μεταξύ 3΄ άνθρακα της δεοξυριβόζης ενός
μονονουκλεοτιδίου και του 5΄ άνθρακα της δεοξυριβόζης του γειτονικού
μονονουκλεοτιδίου.
- Το αντιπαράλληλο των κλώνων έγκειται στο οτι η 3΄5΄ κατεύθυνση των δυο
κλώνων του DNA είναι αντίθετη.
- Το συμπληρωματικό των κλώνων αναφέρεται στο ότι απέναντυ από μια
αδενίνη (Α) υπάρχει μια θυμίνη (Τ) , και απέναντυ από μια γουανίνη (G)
υπάρχει μια κυτοσίνη (C).
- Τροποποιημένη βάση στο DNA των ευκαρυωτικών κυττάρων υπάρχει μόνο η
5-μεθυλο-κυτοσίνη, σε αντίθεση με το RNA (και ιδιαίτερα το tRNA) που έχει
περισσότερες τροποποιημένες βάσεις. Στα προκαρυωτικά κύτταρα υπάρχει
επιπλέον και αδενίνη μεθυλιωμένη στην αμινομάδα.
- Ν-μεθυλο-αδενίνη: αδενίνη-CH3.
- 5-μεθυλο-κυτοσίνη: κυτοσίνη-CH3.
- Η μεθυλίωση των βάσεων γίνεται από ειδικά ένζυμα. Μετά την ενσωμάτωση
του αδενυλικού και κυτιδυλικού οξέος στο DNA
1. στους προκαρυωτικούς συμμετέχει στο σύστημα άμυνας, απέναντυ στους
ιούς (βλ σύστημα περιορισμού-τροποποίησης κεφ 10 τόμος Γ),
2. στους ευκαρυωτικούς παρεμβαίνει στην έκφραση των γονιδίων (βλ κεφ 6
τόμος Γ).
- Βήμα έλικα DNA: 34 Å .
- Απόσταση μεταξύ ζευγών βάσεων: 3.4 Å.
- Υπάρχουν 10 ζεύγη βάσεων σε κάθε στροφή της έλικας.
- Ο επιμηκης άξονας της έλικας είναι κάθετος προς το επίπεδο των βάσεων και
διέρχεται δια του χώρου μεταξύ των συμπληρωματικών βάσεων. Το κάθε
ζεύγος βάσεων περιστρέφεται 360 προς το γειτονικό ζεύγος. Η διάμετρος της
διπλής έλικας είναι 20 Α.
- Πουρινικοί και πυριμιδινικοί δακτύλιοι απορροφούν ισχυρά την υπεριώδη
ακτινοβολία με μέγιστο στα 260 nm.
- Οι δεσμοί Η μεταξύ των βάσεων του DNA οφείλονται στην ιδιότητα των
μορίων νουκλεϊνικών οξέων σε διάλυμα να δημιουργούν δίκλωνα σύμπλοκα
με άλλα μόρια που έχουν συμπληρωματική αλληλουχία νουκλεοτιδίων.
131
Τόμος Γ
-
-
-
Μοριακή Βιολογία
Υβριδισμός: Η δημιουργία δίκλωνων δομών κατά την ανάμιξη δυο
συμπληρωματικών κλώνων νουκλεϊνικών οξέων καλείται υβριδισμός. Είναι η
ιδιότητα των μορίων νουκλεϊνικών οξέων σε διάλυμα να δημιουργούν
δίκλωνα σύμπλοκα με άλλα μόρια που έχουν συμπληρωματική αλληλουχία
νουκλεοτιδίων. Ο υβριδισμός παρατηρείται είτε μεταξύ ολόκληρων
συμπληρωματικών μονόκλωνων με DNA και RNA είτε περιοχών τους.
Αύλακες του DNA: υπάρχουν 2 μεγάλες και 2 μικρές αύλακες σε κάθε
στροφή της έλικας.
Ραχοκοκκαλιά του DNA: αποτελείται εναλάξ από δεοξυριβόζες και
φωσφορικά. Η φωσφορική ομάδα έχει αρνητικό φορτίο. Η ραχοκοκκαλιά
είναι το εξωτερικό μέρος του DNA και επιδρά με θετικά ιόντα ή θετικά
φορτισμένες περιοχές μακρομορίων (πρωτεϊνών) ή αναπτυσουν δεσμούς Η
μεταξύ των Ο των φωσφορικών και του πεπτιδικού Ν της ραχοκοκκαλιάς μιας
πρωτεΐνης.
Παρυφές των βάσεων: βρίσκονται μέσα στην μεγάλη και μικρή αύλακα και
είναι εκτεθειμένες προς το εξωτερικό περιβάλλον και επιδρούν με αυτό.
Αλληλεπιδράσεις αύλακας και περιβάλλοντος: είναι αλληλεπιδράσεις με
πρωτεΐνες που οφείλονται κυρίως σε δεσμούς Η. Τα επίπεδα των βάσεων
περιέχουν Ν και Ο που αναπτύσουν δεσμούς με Η.
Αμινοξέα που αλληλεπιδρούν με δεσμούς Η στις παρυφές των βάσεων στις
αύλακες του DNA: υδροξυαμινοξέα, ιστιδίνη, όξινα αμινοξέα, και αμίδιά τους
κ.α. Υδρόφοβα αμινοξέα αντιδρούν με την μεθυλομάδα της θυμίνης.
Αντιδράσεις πρωτεϊνών ραχοκοκκαλιάς: πρωτεΐνες που συγκροτούν την
χρωματίνη, λειτουργικές πρωτεΐνες.
1.3 Το γενετικό υλικό ιών μπορεί να είναι DNA ή RNA.
- Βακτηριοφάγοι ή φάγοι: είναι οι ιοί που προσβάλλουν βακτήρια.
- Ιοί: Οι ιοί αποτελούνται από νουκλεϊνικό οξύ που μπορεί να είναι DNA ή
RNA (ποτέ και τα δύο) , σε σύμπλοκα με πρωτεΐνες και περιβάλλονται από
πρωτεολιπιδικό περίβλημα.
- Μόλυνση κυττάρου από ιό: είτε μπαίνει μόνο το νουκλεϊκό οξύ του ιού, είτε
νουκλεϊκό οξύ και πρωτεΐνες , είτε όλος ο ιός στο σύνολο.
- Γεννετικό υλικό ιών: α) δίκλωνο γραμμικό ή κυκλικό DNA, β) μονόκλωνο
γραμμικό ή κυκλικό DNA, γ) μονόκλωνο γραμμικό ή κυκλικό RNA.
- Σπογγώδης εγγεφαλοπάθεια (τρελές αγελάδες): ρόλο γεννετικού υλικού του
ιού παίζει μια μόνο πρωτεΐνη, η πρίον (μετατρέπει τα φυσιολογικά ισομερή
της πρωτεΐνης σε αντίγραφά της).
1.4 Το RNA συμμετέχει στη μεταφορά και μετάφραση της γενετικής πληροφορίας .
- Σε αντίθεση με το DNA (που αποθηκεύει μόνο πληροφορία) οι διεργασίες
μεταφοράς και μετάφρασης γίνονται από τα διάφορα είδη RNA.
- Τα μόρια RNA έχουν ποικίλες διαμορφώσεις (είδη) ανάλογα με τη
λειτουργικότητά τους (βλ 1.4.2 παρακάτω).
1.4.1 Η μοριακή διαδικασία μεταφοράς
- Η γενετική διαδικασία ακολουθεί τη διαδρομή DNA  RNA  πρωτεΐνη,
δηλ είναι αποθηκευμένη στο DNA, μεταφράζεται σε RNA και καταλήγει σε
πρωτεΐνη.
132
Τόμος Γ
-
-
Μοριακή Βιολογία
Σε ρετροϊούς το μόριο αποθήκευσης γενετικής πληροφορίας είναι το RNA και
η μεταφορά πληροφορίας γίνεται μέσω ενός υβριδικού μορίου DNA-RNA (βλ
κεφ 10 τόμος Γ).
Γενετική πληροφορία: είναι μια αλληλουχία νουκλεοτιδίων, ομαδοποιημένων
σε τριάδες (κωδικόνια), στο μόριο του DNA ή του RNA. Η αλληλουχία αυτή
μεταφράζεται σε αλληλουχία αμινοξέων στις πρωτεΐνες με βάση έναν κώδικα
που είναι καθολικός (δηλ ισχύει για όλους τους οργανισμούς με ελαφρές
αποκλίσεις στα μιτοχόνδρια και ορισμένα πρωτόζωα).
Διαμόρφωση πρωτεϊνών: Η αλληλουχία των αμινοξέων καθορίζει και την
τρισδιάστατη διαμόρφωση των πρωτεϊνών.
Οι 4 βάσεις (νουκλεοτίδια) του DNA, μετατρέπονται σε συνδιασμούς των 3
(κωδικόνια), που δημιουργούν τα 20 διαφορετικά είδη πρωτεΐνων.
Το Γονίδιο είναι:
1. μια περιοχή του DNA που περιέχει την πληροφορία για τη σύνθεση μιας
πεπτιδικής αλυσίδας ή σε λίγες περιπτώσεις ενός μορίο RNA.
2. στο επίπεδο της πρωτεΐνης είναι μια ολοκληρωμένη πεπτιδική αλυσίδα .
3. Το γονίδιο είναι η μονάδα κληρονομικότητας.
1.4.2 Τα δομικά στοιχεία μορίων RNA που συμβάλλουν στη λειτουργικότητά
τους.
- Τα ειδη του RNA:
1. αγγελιοφόρο RNA (mRNA): όπου μεταγράφονται τα γονίδια από το DNA.
Κωδικεύουν μια πρωτεϊνική αλυσίδα συν τα σήματα για την έναρξη και
την ολοκλήρωση σύνθεσης μιας αλυσίδας. Περιέχουν πληροφορία που
αντιστοιχεί σε ένα γονίδιο (ευκαρυωτικοί) ή πολλά γονίδια
(προκαρυωτικοί). Περιέχουν αλληλουχίες βάσεων μέχρι εκατοντάδες
νουκλεοτίδια που δεν μεταφράζονται (και στο 3΄ και στο 5΄ άκρο). Στο
άκρο 3΄ ενώνεται μια πολυαδενυλική ουρά (poly A) για σταθεροποίηση.
2. μεταφέρων RNA (tRNA): που μεταφέρουν αμινοξέα στο ριβόσωμα ώστε
να ενσωματωθούν στις πρωτεΐνες. Υπάρχουν 35 είδη tRNA σε
προκαρυωτικούς οργανισμούς και 50 σε ευκαρυωτικούς, που εξυπηρετούν
τη μεταφορά 20 αμινοξέων στα ριβοσώματα. Το tRNA αποτελείται από
73-93 νουκλεοσώματα και παρουσιάζει τόσο δευτεροταγή όσο και
τριτοταγή διαμόρφωση. Στη δευτεροταγή δομή το tRNA μοιάζει με
τριφύλι (βλ σχήμα σελ 15) με τα «φύλλα» να είναι περιοχές που δεν
αναπτύσσονται δεσμοί Η. Το 3΄ άκρο του «κοτσανιού» τελειώνει πάντα σε
CCA όπου δεσμεύεται το αμινοξύ, ενώ σε ένα από τα φύλλα του
«τριφυλλιού» υπάρχει το αντικωδικόνιο που (βλ. τόμος Β) αναγνωρίζει το
κωδικόνιο στο mRNA. Το tRNA περιέχει (μέχρι 20%) τροποποιημένες
βάσεις όπως θυμίνη (5-μεθυλοουρακίλη), αδενίνες υποκατεστημένες στην
αμινομάδα κ.α.
3. ριβοσωματικό RNA (rRNA): συμμετέχουν στη συγκρότηση του
ριβοσώματος αλλά και στην κατάλυση δημιουργίας του πεπτιδικού
δεσμού. Υπάρχουν 3 στα προκαρυωτικά ριβοσώματα και 4 στα
ευκαρυωτικά. Λειτουργούν ως σύμπλοκα με ριβοσωματικές πρωτεΐνες.
4. μικρά πυρηνικά RNA (snRNA): βλ. κεφ 4.
5. RNA υπάρχει και στα ένζυμα τελομεράση που συμβάλει στη σύνθεση του
DNA (βλ. κεφ 3).
6. υπάρχει και στα ένζυμα ριβονουκλεάση Ρ, υπεύθυνα για την ωρίμανση
μορίων tRNA σε βακτήρια.
133
Τόμος Γ
-
-
Μοριακή Βιολογία
Το RNA είναι μονόκλωνο (με εξαίρεση κάποιους ιούς).
Στο RNA αναπτύσονται δεσμοί Η ενδομοριακά, μεταξύ συμπληρωματικών
βάσεων, με αποτέλεσμα την αναδίπλωση της πολυνουκλεοτιδικής αλυσίδας.
Αυτό έχει αποτέλεσμα το RNA να έχει εκτός από πρωτοταγή διαμόρφωση,
και δευτεροταγή και τριτοταγή.
Δομές RNA στο δευτεροταγές επίπεδο διάταξης (βλ σχήματα σελ 14-15 τόμος
Γ):
1. φουρκέτα (hairpin): στην κορυφή της μένει αριθμός νουκλεοτιδίων όπου
οι βάσεις τους δεν σχηματίζουν δεσμούς Η. Συνήθως οι φουρκέτες
περιέχουν 4 βάσεις.
2. διόγκωμα (bulge): παρεμβάλονται στο ένα κλώνο βάσεις που δεν
ζευγαρώνουν.
3. φυσαλίδα (bubble): σε τμήμα δίκλωνης περιοχής υπάρχουν βάσεις που δεν
ζευγαρώνουν.
Σύνοψη
- Το γενετικό υλικο είναι δίκλωνο DNA.
- Στους ιούς μπορεί να είναι και δίκλωνο ή μονόκλωνο RNA.
- Το RNA είναι υπεύθυνο για τη μεταγραφή και μετάφραση της γενετικής
πληροφορίας.
- Η δομή DNA/ RNA ανακλά και στη λειτουργικότητά τους που υλοποιείται
μόνο με την παρεμβολή πρωτεϊνών.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης.
- Α.
1. Τα οργανικά μόρια μπορεί να ήρθαν από το διάστημα (μετεωρήτες, ουρές
κομητών κλπ).
2. Το RNA των ιών μπορεί αν αποθηκεύσει γεννετική πληροφορία.
3. Και το DNA και το RNA περιέχουν τροποποιιημένες βάσεις. Το DNA των
ευκαρυωτικών έχει τροποποιημένη βάση των 5-μεθυλοκυτοσίνη (mC) σε
ποσοστό 5%, ενώ των προκαρυωτικών την mC και Ν6-μεθυλοαδενίνη. Το
RNA περιέχει τροποποιημένες βάσεις σε ποσοστό 20%.
4. Ο υβριδισμός νουκλεϊκών οξέων οφείλεται στην ανάπτυξη δεσμών Η
μεταξύ συμπληρωματικών βάσεων.
5. Το φορτίο στο DNA/RNA οφείλεται στις φωσφορικές ομάδες της
ραχοκοκκαλιάς. Οπότε είναι αρνητικά φορτισμένα (σε pH=7).
6. Στις αλληλεπιδράσεις DNA-πρωτεϊνών αναπτύσσονται μόνο δευτερεύοντες δεσμοί και όχι ομοιοπολικοί.
- Β
1. Ζούμε στον κόσμο του DNA.
2. Για αλληλεπιδράσεις πρωτεϊνών προσφέρονται περισσότερο η μεγάλη
αύλακα του DNA.
3. Όταν στον ένα κλώνο μιας δίκλωνης περιοχής του RNA παρεμβάλλονται
βάσεις που δεν ζευγαρώνουν, προκύπτει ένα διόγκωμα.
4. Τροποποίηση βάσεων σε μόρια νουκλεϊνικών οξέων γίνεται μετά την
ενσωμάτωσή τους στο πολυνουκλεοτίδιο.
5. Το γενετικό υλικό των ιών είναι νουκλεϊνικό οξύ.
6. Στα μόρια DNA αναπτύσσονται ενδομοριακοί δεσμοί Η.
- Γ.
134
Τόμος Γ
-
-
-
-
Μοριακή Βιολογία
1. Η δημιουργία δίκλωνων δομών κατά την ανάμιξη δυο συμπληρωματικών
κλώνων νουκλεϊνικών οξέων καλείται υβριδισμός.
2. Τα συστατικά των νουκλεϊνικών οξέων που είναι υπεύθυνα για την
απορρόφηση της υπεριώδους ακτινοβολίας είναι οι βάσεις πουρίνης και
πυριμιδίνης.
3. Όταν σε τμήμα μιας δίκλωνης περιοχής του RNA παρεμβάλλονται βάσεις
που δεν ζευγαρώνουν προκύπτει μια φυσσαλίδα.
4. Στο 3΄ άκρο όλα τα μόρια του mRNA καταλήγουν σε μια ουρά
πολυαδενυλικού οξέος (poly A).
5. Οι αλληλεπιδράσεις DNA με πρωτεΐνες γίνονται είτε μέσω της
ραχοκοκκαλιάς είτε μέσω των αυλάκων του DNA, οι εξειδικευμένες
αλληλεπιδράσεις γίνονται μέσω των αυλάκων.
Δ. Το γενετικό υλικό
1. αλληλεπιδρά με μια μεγάλη ποικιλία ιόντων και ενώσεων.
2. περιέχει πληροφορίες για τη σύνθεση όλων των πρωτεϊνών και όλων των
μορίων RNA.
Ε. Οι ομάδες που δέχονται δεσμούς Η στις πρωτεΐνες είναι η >C=O και η ≡Ν ,
ενώ αυτές που είναι δότες δεσμών Η στις πρωτεΐνες είναι οι –COOH,
>CHOH, -NH2 , >NH.
ΣΤ. Πληθυσμός ειδών RNA:
1. Από τα είδη του RNA τα περισσότερα είναι τα mRNA (αγγελιοφόρο) που
είναι τον αριθμό όσες και οι πρωτεΐνες που συνθέτονται.
2. Τα rRNA (ριβοσωματικά) είναι 3-4.
3. Τα tRNA (μεταφέροντα) είναι περί τα 85 διαφορετικά είδη.
Ζ.
1. Τα μόρια του tRNA καταλήγουν στο 3΄ άκρο όπου γίνεται η δέσμευση του
αμινοξέος στο τρινουκλεοτίδιο CCA. Η εξασφάλιση ύπαρξης της τριάδας
CCA είναι πιο αποδοτική από το να ενσωματωθεί η πληροφορία στο
αντίστοιχο γονίδιο (για να προληφθεί τυχόν μετάλλαξη και αν μην
αχριστευτεί το μόριο tRNA).
2. Η σύνθεση όλων των πρωτεϊνών ξεκινά από την τριάδα AUG του mRNA.
Η.
1. δίκλνωνο DNA  δεσμοί Η
2. ραχοκοκκαλιά DNA  πληκτική δομή
3. mRNA  ουρά πολυαδενυλικού
4. προκαρυωτικό mRNA  πολυκιστρονικό
5. ρετροϊοί  RNA γενετικό υλικό
6. πρίον  πρωτεΐνη
7. DNA-RNA  υβρίδιο.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2
Εισαγωγή
- DNA και RNA αλληλεπιδρούν με πρωτεΐνες και δημιουργούν ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σύμπλοκα και μορφώματα. Οι αλληλεπιδράσεις γίνονται μεταξύ
στοιχείων της δομής των νουκλεϊνικών οξέων και συγκεκριμένων μοτίβων
(διαμορφωσεων) των πρωτεϊνών που συμμετέχουν στα σύμπλοκα.
135
Τόμος Γ
-
-
Μοριακή Βιολογία
Τα εργαλεία των ζωντανών οργανισμών είναι οι πρωτεΐνες. Οι διεργασίες
αποθήκευσης, μεταφοράς και έκφρασης της γενετικής πληροφορίας
προϋποθέτουν την αλληλεπίδραση του γενετικού υλικού (DNA/RNA) με
πρωτεΐνες (συμπλοκοποίηση).
Οι αλληλεπιδράσεις οφείλονται στις ιδιότητες των πρωτεϊνών μέσω των
οποίων τα νουκλεϊκά οξέα συμπλοκοποιούται με πρωτεΐνες.
2.1 Δομικά μοτίβα πρωτεϊνών που αλληλεπιδρούν με νουκλεϊνικά οξέα.
- Οποιαδήποτε πρωτεϊνική επιφάνεια (διαμόρφωση) θα αλληλεπιδράσει με
οποιοδήποτε μόριο νουκλεϊκού οξέος αρκεί να αναπτυχθούν μεταξύ τους
ελκτικές δυνάμεις, έστω και ασθενείς.
- Δεν αλληλεπιδρούν : υδρόφιλη με υδρόφιλη επιφάνεια, ή με ομόσημα φορτία.
- Αλληλεπιδρούν : αντιθετα φορτισμένες επιφάνειες, όσες αναπτύσουν δεσμούς
Η κλπ.
- Υπάρχουν όμως δομικά μοτίβα (διαμορφωσεις) που ταιριάζουν πάρα πολύ σε
συγκεκριμένα στοιχεία των μορίων DNA/RNA.
2.1.1 Η εξειδικευμένη αλληλεπίδραση DNA-πρωτεϊνών γίνεται σε περιοχές των
πρωτεϊνικών μορίων που έχουν συγκεκριμένα δομικά μοτίβα.
- Τα είδη των επιφανειών μορίου DNA είναι περιορισμένα σε σχέση με τα
πολλά χιλιάδες είδη επιφανειών των πρωτεϊνών.
- Οι επιφάνειες του DNA που αλληλεπιδρούν είναι η μεγάλη και μικρή αύλακα
και η ραχοκοκκαλιά του μορίου.
- Προκειμένου δυο επιφάνειες να αναγνωρίσουν η μια την αλλη, θα πρέπει να
παρουσιάσουν μια συμπληρωματικότητα στο χώρο. Έτσι οι διαμορφώσεις των
πρωτεϊνών στο χωρο που αναγνωρίζονται είναι περιορισμένες, όσες και οι
διαμορφωσεις του DNA.
- Κύρια δομικά μοτίβα (διαμορφωσεις) πρωτεϊνών (βλ. σχήματα σελ 23-25
τόμος Γ):
1. Έλικα-στροφή-έλικα: είναι 2 βραχείς α-έλικες που ενώνονται μεταξύ τους
με τμημα 4 αμινοξέων που το ένα είναι η γλυκίνη (επιτρέπει την πεπτιδική
αλυσίδα να καμφθεί ώστε οι 2 έλικες να πάρουν κατάλληλο
προσανατολισμό).
2. Δάκτυλο ψευδαργύρου: άτομα Zn συναρμόζονται με ομάδες R δυο
κυστεϊνών και δυο ιστιδινών που βρίσκονται στη βάση βρόχου 12
αμινοξέων. Ο βρόχος αυτός προεξέχει από την πρωτεΐνη και αλληλεπιδρά
με το δάπεδο της μεγάλης αύλακας του DNA. Οι ιστριδίνες μπορεί να
αντικατασταθούν και από κυστεΐνες.
3. Φερμουάρ λευκίνης: αν σε μια α-έλικα πρωτεΐνης (περιέχει 3.6 αμινοξέα
σε κάθε βήμα μήκος 5.4 Å) υπάρχει κάθε 7ο αμινοξύ λευκίνη, τότε η
λευκίνη θα επαναλαμβάνεται κάθε 10.8 Å. Μια τέτοια έλικα
συμπλοκοποιείται με άλλη παρόμοια αναπτύσσοντας υδρόφοβους δεσμούς
προς δημιουργία ομο- ή ετεροδιμερή. Τα bZIP είναι μοτίβα περιοχών
βασικών (δηλ θετικά φορτισμένων αμινοξεων) που συνοδεύουν τα
φερμουαρ λευκίνης.
4. Διάφορα άλλα μοτίβα: το 80% των πρωτεϊνών περιέχουν τα παραπάνω
μοτίβα. Για το υπόλοιπο 20% υπάρχουν μοτίβα που χαρακτηρίζουν
οικογένειες πρωτεϊνών, όπως το μοτίβο έλικα-βρόχος-έλικα που τα 60-100
του αμινοξέα σχηματίζουν δυο α-έλικες και έχει την τάση να διμερίζεται
κατά μήκος συντηρημένων υδρόφοβων επιφανειών των ελίκων και να
136
Τόμος Γ
-
Μοριακή Βιολογία
σχηματιζουν δέσμη 4 ελίκων. Οι πρωτεΐνες HMG (High mobility group)
αναπτύσουν δικά τους μοτίβα προς κάμψη του DNA, τα ένζυμα (πχ Dnase
I, EcoR1) με υπόστρωμα DNA έχουν δικά τους μοτίβα.
Παλινδρομικές ακολουθίες του DNA: είναι αλληλουχίες νουκλεοτιδίων
ταυτόσημες και ως προς την 3΄5΄ κατεύθυνση και ως προς την 5΄3΄
κατεύθυνση.
2.1.2 Και πρωτεΐνες που αλληλεπιδρούν με RNA παρουσιάζουν τοπολογικές
ομοιότητες.
- Το RNA παρουσιάζει μεγαλύτερη ποικιλία στην 3-διαστατη διαμόρφωσή τους
σε σχέση με το DNA.
- DNA και RNA έχουν ραχοκοκκαλιά αποτελούμενη από πεντοζη-φωσφορικά.
Έχουν τις ίδιες βάσεις πουρίνης και παρόμοιες πυριδαμίνης, παρόμοιους
δεκτες και δότες δεσμών Η κ.α.
- Τα μοτίβα των πρωτεϊνών που αντιδρούν με RNA είναι παρόμοια με αυτά των
πρωτεϊνών που αντιδρούν με DNA. Πχ
1. μοτίβο δάκτυλο ψευδαργύρου: βρίσκεται σε ριβοσωματικές πρωτεΐνες.
2. μοτίβο φερμουάρ λευκίνης και bZIP: σε ριβοσωματικές πρωτεΐνες.
2.2 Σύμπλοκα νουκλεϊνικών οξέων – πρωτεϊνών.
- Τα νουκλεονικά οξέα σε κάποια φάση συμπλοκοποιούνται με πρωτεΐνες.
- Διακρίνονται σε παροδικά συμπλοκα και μακρόβια.
2.2.1 Σύμπλοκα DNA-πρωτεϊνών.
- Ο πυρήνας ευκαρυωτικού κυττάρου διαμέτρου 1 nm περιέχει DNA με 109
ζεύγη βάσεων με μήκος αρκετών μέτρων.
- Το DNA είναι κατανεμημένο σε χρωμοσώματα, που το κάθε ένα περιέχει ενα
μόριο DNA.
- Χρωματίνη: είναι νουκλεοπρωτεϊνικό σύμπλοκο που συσκευάζει το DNA
κατά τρόπο που να χωρά στον πυρήνα. Απότελείται από DNA και ιστόνες
(πρωτεΐνες που διακρίνονται σε Η1, Η2Α, Η2Β, Η3, Η4) . Συμπλοκοποιείται
και με μη ιστονικές πρωτεΐνες, με πρωτεΐνες που παίζουν δομικό ρόλο, αλλά
και ένζυμα (που είναι και αυτά πρωτεΐνες).
- Ιστόνες: οικογένεια πρωτεϊνών. Διακρίνονται σε Η1, Η2Α, Η2Β, Η3, Η4.
έχουν μοριακό βάρος 10.000-20.000 . Περιέχουν αργινίνη, λυσίνη, γλουταμινικό και ασπαραγινικό οξύ. Είναι πολύ βασικές, δηλ θετικά φορτισμενες.
- Επίπεδα οργάνωσης χρωματίνης, νουκλεόσωμα ή πυρηνόσωμα: έχει πυρήνα
ένα οκταμερές σύμπλοκο ιστονών, από δυο μόρια από κάθε ιστόνη Η2Α,
Η2Β, Η3, Η4. Γύρω του περιελίσσονται μια περιοχή DNA από 146 ζεύγη
βάσεων. Επίσης προστίθενται μόριο συνδετικής ιστόνης Η1 και επιπρόσθετο
DNA μήκους 22 βάσεων. Τα νουκλεοσώματα συνδεονται μεταξύ τους με
DNA 0-80 ζευγών βάσεων που δημιοργούν ίνες 30nm και περιελισσονται σε
σπειροειδή και σωληνοειδή μορφώματα. Η δομή αυτή επιλύει το χωροταξικό
πρόβλημα του DNA και συμβάλει και στην επιλεκτική έκφραση κάποιων
γονιδίων. Όσο πιο πακεταρισμένο είναι το DNA τόσο πιο δυσπρόσιτο είναι σε
ένζυμα και πρωτεΐνες.
- Μεγάλο μέρος του DNA δεν περιέχει γονίδια αλλά αλληλουχίες που γενικά
δεν εκφράζονται, αλλά επαναλαμβάνονται χιλιάδες φορες (πχ η αλληλουχία
Alu).
137
Τόμος Γ
-
Μοριακή Βιολογία
Βακτηριακό χρωμόσωμα (ή πυρηνοειδές)): αποτελείται από δίκλωνο μόριο
DNA που βρίσκεται σε μορφή νουκλεοπρωτεϊνικού συμπλόκου. Αποτελείται
στο βακτήριο Escherichia coli από 100 βρόχους DNA, 50.000 ζεύγη βάσεων ο
κάθε βρόχος, που συγκλίνουν σε έναν κεντρικό πρωτεϊνικό πυρήνα (βλ σχήμα
σελ 32 τόμος Γ).
2.2.2 Σύμπλοκα RNA-πρωτεϊνών.
- Μόνιμα ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σύμπλοκα: τέτοια είναι
1. δυο υπομονάδες των ριβοσωμάτων, οι ριβονουκλεοπρωτεΐνες που
δημιουργούνται με το ετερογενές RNA του πυρήνα
2. τα μικρά πυρηνικά ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σύμπλοκα, σωματίδια που
καταλύουν το μάτισμα του RNA
3. τα ινφορμοσώματα.
- Ριβοσώματα: έχουν δυο υπομονάδες, τη μικρή υπομονάδα και τη μεγάλη
υπομονάδα. Οι υπομονάδες αυτές είναι τα ποσοτικά πιο σημαντικά
ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σύμπλοκα και αποτελούνται από 1-3 μόρια RNA και
από μικρού ΜΒ πρωτεΐνες.
2.2.3 Ιοί ως νουκλεοπρωτεϊνικά σύμπλοκα.
- Οι ιοί είναι παράσιτα που αποτελούνται από ένα μόριο νουκλεϊκού οξέος που
περιβάλλεται από πρωτεϊνικό καψίδιο.
- Το καψίδιο λαμβάνει διάφορες μορφές, συνήθως απαντάται ή ως εικοσάεδρο,
ή ως έλικα πρωτεϊνών. Άλλες πρωτεΐνες των καψιδιων είναι δομικές (δηλ
απλά το συγκροτούν) και άλλες λειτουργικές ή ενζυμα που χρειάζονται για
την αναπαραγωγή του ιού (μέσα στο κύτταρο ξενιστή).
- Οι πρωτεΐνες των ιών είναι σε αριθμό λίγες.
Σύνοψη
- Μηχανισμοί αναπαραγωγής, αποθήκευσης και έκφρασης της γενετικής
πληροφορίας.
- Αλληλεπιδράσεις γενετικού υλικού και πρωτεϊνών.
- Υπάρχουν δομικά μοτίβα των πρωτεϊνών ώστε να αλληλεπιδρούν με το
γενετικό υλικό.
- Μόνιμα σύμπλοκα νουκλεϊνικών οξέων-πρωτεϊνών: χρωματίνη στα
ευκαρυωτικά, ριβοσώματα και ιοί.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης:
- Α.
1. Οποιαδήποτε πρωτεϊνική επιφάνεια δεν αλληλεπιδρά με οποιαδήποτε του
DNA.
2. Για να αλληλεπιδράσουν δυο μόρια πρέπει να αναπτυχθούν μεταξύ τους
ελκτικές δυνάμεις.
3. Έχουν αναπτυχθεί λίγα δομικά μοτίβα σε πρωτεΐνες που αλληλεπιδρούν
με DNA επειδή υπάρχει μικρός αριθμός διαφορετικών επιφανειών στο
DNA.
4. Οι περισσότερες αλληλεπιδράσεις γίνονται με τη μεγάλη αύλακα του
DNA.
5. Το DNA συμπλοκοποιείται με πρωτεΐνες τόσο στους προκαρυωτικούς όσο
και στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς.
6. Οι ιοί είναι ουσιαστικά νουκλεοπρωτεϊνικά σύμπλοκα.
138
Τόμος Γ
-
-
-
-
Μοριακή Βιολογία
7. Οι ιστόνες είναι πρωτεΐνες πλούσιες σε βασικά αμινοξέα.
Β.
1. Στο δομικό μοτίβο έλικα-στροφή-έλικα, οι έλικες ενώνονται μεταξύ τους
με ένα τμήμα που περιέχει 4 αμινοξέα.
2. Στο μοτίβο bZIP υπάρχουν περιοχές με βασικά αμινοξέα.
3. Όταν το πυρηνόσωμα συμπληρωθεί με μόριο ιστρόνης Η1 προκύπτει ένα
νουκλεοσωμα.
4. Περιοχές της χρωματίνης που είναι πιο συμπαγείς από άλλες ονομάζονται
ετεροχρωματίνη.
5. Το ευκαρυωτικό ριβοσωμάτιο έχει σταθερά καθίζησης 70 S.
6. Συγκριτικά με την ετεροχρωματίνη, η ευχρωματίνη είναι λιγότερο
συμπικνωμένη.
Γ. Στο φερμουάρ της λευκίνης βρίσκουμε και άλλα αμινοξεα εκτός από
λευκίνη, αρκεί να μην είναι υδρόφοβα. Τέποια είναι η ισολευκίνη, η βαλίνη, η
αλανίνη κ.α.
Δ. Διαφορές μοτίβων έλικα-στροφή-έλικα και έλικα-βρόχος-έλικα:
1. στο μοτίβο έλικα-στροφή-έλικα, οι δυο έλικες συνδέονται με 4 αμινοξέα
από τα οποία το ένα είναι πάντα γλυκίνη που βρίσκεται στη δεύτερη θέση.
2. στο μοτίβο έλικα-βρόχος-έλικα, οι δυο έλικες συνδέονται από ένα
πρωτεϊνικό τμήμα του οποίου ούτε ο αριθμός είναι σταθερός, ούτε και η
αλληλουχία επαναλήψιμη.
Ε. Διαφορά πυρηνοσώματος και νουκλεοσώματος: το πυρηνόσωμα έχει
επιπλέον τμήμα DNA των 22 ζευγών βάσεων και ένα μόριο Η1 ιστόνης.
ΣΤ. Λόγω του θετικού τους φορτίου (πολλά βασικά και λίγα όξινα αμινοξέα),
οι ιστόνες αλληεπιδρούν κυρίως με την ραχοκοκκαλιά του DΝΑ.
Ζ.
1. Στο δομικό μοτίβο έλικα-στροφή-έλικα η μια από τις έλικες ειναι γνωστή
ως έλικα αναγνώρισης.
2. Στο δομικό μοτίβο δάκτυλο ψευδαργύρου, ο ψευδάργυρος συναρμόζεται
με 4 αμινοξέα από τα οποία 2 είναι κυστεΐνη.
3. Η περιοχή της χρωματίνης που είναι λειτουργικά ενεργός ονομάζεται
ευχρωματίνη.
4. Το περίβλημα των ιών που ονομάζεται καψίδιο αποτελείται κυρίως από
πρωτεΐνες.
Η. Το νουκλεόσωμα αποτελείται από έναν πρωτεϊνικό
πυρήνα που
περιβάλλεται από DNA μήκους 146 ζευγών βάσεων.
Θ.
1. έλικα-στροφή-έλικα  γλυκίνη
2. δάκτυλο ψευδαργύρου  κυστεΐνες
3. πυρηνόσωμα  ιστόνη Η1
4. ετεροχρωματίνη  αδρανές DNA
5. πυρηνοειδές  βακτηριακό χρωμόσωμα
6. ιός  καψίδιο
7. νουκλεόσωμα οκταμερές ιστονών.
139
Τόμος Γ
Μοριακή Βιολογία
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3
Εισαγωγή
- Μηχανισμοί αντιγραφής γενετικού υλικού (DNA) από το γονικό στα
θυγατρικά κύτταρα.
- Υπάρχει διεργασία που εξασφαλίζει την πιστή αντιγραφή του DNA.
- Υπάρχουν και μηχανισμοί που διορθώνουν τυχόν λάθη κατα την αντιγραφή
του DNA ή και κατά τον χρόνο αποθήκευσής του (βλ κεφ 8).
- Όποια λάθη δεν διορθώνονται αποτελούν εξέλιξη των ειδών.
3.1 Η στρατηγική της αντιγραφής του γενετικού υλικού.
- Οι κυριότερες από τις μεταβολικές οδούς έχουν καθολική εφαρμογή σε όλο
τον έμβιο κόσμο:
1. Όλοι οι οργανισμοί
(βακτήρια, ζώα, φυτά) μεταβολίζουν τους
υδατάνθρακες και τα λίπη με τις ίδιες διεργασίες.
2. Όλοι οι αερόβιοι οργανισμοί αντλούν ενέργεια από τη λειτουργία της
αναπνευστικής αλυσίδας σε συνδιασμό με τον κύκλο του κιτρικού οξέος.
3. ο τρόπος σύνθεσης των πρωτεϊνών (βλ κεφ 5 τόμος Γ) είναι κοινός.
- Η διεργασία αντιγραφής του DNA είναι καθολικός (ίδιος για όλους τους
οργανισμούς). Είναι επίσης και πολύπλοκος για να διασφαλιστεί η πιστότητα
της αντιγραφής. Όσα λάθη αντιγραφής διαφύγουν κληροδοτούνται στις
επόμενες γενιές. Η πολυπλοκότητα του μηχανισμού απαιτεί μεγάλο αριθμό
ενζύμων και πρωτεϊνών για τη διεκπεραίωσή του.
- Η βιοσύνθεση του DNA περιγράφεται στο κεφ 6 τόμος Β.
3.1.1 Η αντιγραφή του DNA γίνεται σε τρία στάδια.
- Τρία στάδια υπάρχουν κατά τον διπλασιασμό του DNA:
1. έναρξη αντιγραφής
2. σύνθεση νέων κλώνων του DNA
3. τερματισμός αντιγραφής
- Ρεπλίσωμα (replisome) ή αντιγραφόσωμα: είναι το σύμπλοκο εκείνο που
συγκροτεί τους παράγοντες που ξεκινούν και τελειώνουν την διαδικασία
αντιγραφής του DNA. Το προϊόν είναι δυο νέοι κλώνοι DNA.
- Έναρξη αντιγραφής: γίνεται σε 3 σταδια,
1. στο πρώτο γίνεται η αναγνώριση της περιοχής του DNA από όπου ξεκινά
η αντιγραφή, από ειδική πρωτεΐνη.
2. ακολουθεί το σπάσιμο των δεσμών Η στην περιοχή αυτή
3. δεσμεύεται το ένζυμο ελικάση που μετακινείται κατά μήκος του κλώνου
του DNA και αξιοποιεί την ενέργεια υδρόλυσης του ΑΤΡ να διασπά
δεσμούς Η και να απομακρύνει τον ένα κλώνο από τον άλλο.
- Η έναρξη αντιγραφής ξεκινά από συγκεκριμένες περιοχές του χρωμοσώματος.
Στα κυκλικά χρωμοσώματα (πχ των βακτηρίων, πλασμίδια, και ιών) υπάρχει
μια μόνο περιοχή έναρξης αντιγραφής, ενώ στα ευκαρυωτικά χρωμοσώματα
υπάρχουν μέχρι και χιλιάδες τέτοιες περιοχές. Οι περιοχές αυτές
αναγνωρίζονται από ενακτήριες πρωτεΐνες και κάποια στοιχεία της δομής τους
είναι υπεύθυνα για τη λειτουργία τους ως περιοχές έναρξης.
- Ρεπλικόνιο: είναι η κάθε μονάδα αντιγραφής που ορίζεται ως το σύνολο της
περιοχής του DNA που αντιγράφεται υπό τον έλεγχο μιας και μόνης περιοχής
έναρξης. Έτσι το DNA βακτηρίου αποτελείται από ένα ρεπλικόνιο, ενώ το
DNA ευκαρυωτικού χρωμοσώματος από πολλά ρεπλικόνια σε σειρά.
140
Τόμος Γ
-
-
-
Μοριακή Βιολογία
Πολυμεράσες:
DNA
1. καταλύουν την αντίδραση: d(NMP)n + dNTP  d(NMP)n+1 + PΡi,
n=αριθμός μονονουκλεοτιδίων. Τα ένζυμα αυτά δεν μπορούν να
ξεκινήσουν τη σύνθεση DNA, αλλά μόνο να επιμυκήνουν την αλυσίδα
προσθέτοντας ένα δεοξυ-μονονουκλεοτίδιο που λαμβάνεται από τον
αντίστοιχο δεοξυ-τριφωσφορικό εστέρα σε ένα προϋπάρχον ολιγο- ή
πολυνουκλεοτίδιο που μπορεί να είναι δεοξυριβο- ή ριβο- τύπου και ως εκ
τούτου χρησιμεύει ως εκκινητήρας (primer).
2. Για να δράσουν, δεσμεύονται σε περιοχή του DNA που χρησιμοποιούν ως
εκμαγείο. Ο νέος κλώνος που συνθέτεται είναι πάντα συμπληρωματικός
του εκμαγείου και πανομοιότυπος του κλώνου μη εκμαγείου.
3. Η κατεύθυνση σύνθεσης του DNA είναι πάντα 5΄3΄. Δηλ η 5΄
φωσφορυλ-ομάδα του νουκλεοτιδίου που ενσωματώνεται αντιδρά με το 3΄
υδροξύλιο του προηγούμενου νουκλεοτιδιου, προκειμένου να
δημιουργηθεί ο φωσφοδιεστερικός δεσμός της ραχοκοκκαλιάς του DNA.
Πρώτο στάδιο αντιγραφής γονιδιώματος: Εναρκτήριες πρωτεΐνες είναι αυτές
που αναγνωρίζουν τις εναρκτήριες περιοχές και συμπλοκοποιούνται μαζί τους
εξουδετερώνοντας δεσμούς Η στις περιοχές του DNA που δεσμεύονται,
προκαλώντας το «λιώσιμο» της δομής τοπικά. Ακολουθεί η δέσμευση ενός
μορίου ελικάσης από κάθε κλώνο, που κινείται προς τη δίκλωνη περιοχή του
μορίου διασπώντας τους δεσμούς Η και εξουδετερώνοντας τις υδρόφοβες
αλληλεπιδράσεις του DNA. Η απαιτούμενη ενέργεια για αυτές τις δουλειές
προέρχεται από την υδρόλυση του ΑΤΡ. Οι ελικάσες δείχνουν εξειδίκευση
προς την κατεύθυνση των κλώνων, δηλ άλλη δεσμεύεται σε 3΄5΄ κλώνους
και άλλη σε 5΄3΄.
Δεύτερο στάδιο: υλοποιείται η σύνθεση νέων κλώνων του DNA. Την δουλειά
στο στάδιο αυτό την εκτελούν τα ένζυμα πολυμεράσες του DNA. Η σύνθεση
ξεκινά με δημιουργία εκκινητήρα σε κάθε κλώνο. Ο εκκινητήρας είναι ένα
ολιγο-ριβονουκλεοτίδιο (4-12 νουκλεοτίδια) και συνθέτεται από ένα ειδικό
ένζυμο την πριμάση (=primer, που είναι πολυμεράση) που αλληλεπιδρά με την
ελικάση και δημιουργούν ένα σύμπλοκο γνωστό ως πριμόσωμα. Το σύμπλοκο
κινείται προς την κατεύθυνση που κινείται η ελικάση που παρεχει και την
σχετική ενέργεια (καθώς υδρολύεται ΑΤΡ κατά τη λειτουργία του ενζύμου).
Καθώς η ελικάση ανοίγει τους δυο κλώνους του DNA, η πριμάση συνθέτει
ένα ολιγονουκλεοτίδιο με εκμαγείο το DNA και με υποστρώματα τους
τριφωσφορικούς εστέρες των ριβονουκλεοζιτών. Η πριμάση δεν χρειάζεται
εκκινητηρα (όπως οι πολυμεράσες). Η κατεύθυνση σύνθεσης του εκκινητήρα
είναι 5΄3΄. Καθώς προχωρεί η ελικάση στις μονόκλωνες περιοχές που
αφήνει στο διάβα της, δεσμεύονται SSB (single strand binding) πρωτεΐνες που
έχουν συνάφεια με μονόκλωνες περιοχές του DNA και δεν επιτρέπουν να
αναπτυχθούν και πάλι δεσμοί Η μεταξύ των συμπληρωματικών βάσεων των
δυο κλώνων. Από εδώ και πέρα αναλαμβάνει η πολυμεράση του DNA που
προεκτείνει τον εκκινητήρα με δεοξυνουκλεοτίδια και με κατεύθυνση 5΄3΄
χρησιμοποιώντας ως εκμαγείο τον κλώνο του DNA στον οποίο κινειται το
πριμόσωμα. Με την προσθήκη της πολυμεράσης του DNA και κάποιων
βοηθητικών παραγόντων δημιουργείται το ρεπλίσωμα (βλ παραπάνω). Με
δεδομένο ότι οι δυο κλώνοι του γονικού DNA έχουν αντίθετη κατεύθυνση
(δηλ 5΄3΄ ο ένας που λέγεται και προηγούμενος κλώνος, και 3΄5΄ ο άλλος
που λέγεται κλώνος που καθυστερεί) και η πολυμεράση του DNA συνθέτει
141
Τόμος Γ
-
-
-
Μοριακή Βιολογία
μόνο κατά 5΄3΄ , σημαίνει ότι από το σημείο εκκίνησης της αντιγραφής
(φυσαλίδα αντιγραφής) οι δυο νέοι κλώνοι θα απομακρυνθούν μεταξύ τους
και θα είχαμε αντιγραφή του μισού κλώνου από κάθε ρεπλικόνιο. Αυτό που
γίνεται είναι ότι ο ένας κλώνος (προηγούμενος κλώνος) αντιγράφεται
κανονικά (5΄3΄) και ο άλλος (κλώνος που καθυστερεί) συνθέτεται
διακοπτώμενα πάλι κατά 5΄3΄ αλλά σε μικρά κομμάτια (τεμάχια Okazaki),
που κατόπιν συνδέονται σε ενιαίο κλώνο (βλ σχήμα σελ 49). Έτσι
δημιουργείται μια διχάλα αντιγραφής που ανοίγει προς μια κατεύθυνση
ακολουθώντας την κίνηση του ρεπλισώματος. Αυτό γίνεται είτε α) με μόριο
πολυμεράσης που συνθέτει μέχρις ενός σημείου πάντα με 5΄3΄ κατεύθυνση,
να αποδεσμεύεται στη συνέχεια από τον κλώνο και να επιστρεφει στην αρχή
της διχάλας, είτε β) παραμένει σταθερή η πολυμεράση και αλλάζει
κατεύθυνση ο κλώνος εκμαγείο (προκαρυωτικοί οργανισμοί).
Τρίτο στάδιο: τελειώνει η αντιγραφή του κυκλικού χρωμοσώματος και του
γραμμικού.
Οι διεργασίες της αντιγραφής του γενετικού υλικού έχουν επιπτώσεις στην
τοπολογία του μορίου του δίκλωνου DNA: η Β-μορφή του DNA που επικρατεί
στους ζωντανούς οργανισμούς είναι μια διπλή περιεστραμμένη έλικα που σε
κάθε στροφή περιέχει 10 ζεύγη βάσεων. Ο αριθμός των στροφών λέγεται
αριθμός συνδέσεων (linking number L). Όταν δεν υπάρχουν τάσεις λόγω
ύπαρξης περισσότερων ή λιγότερων στροφών μιλάμε για αριθμό διπλής
περιστροφής (duplex winding number, L0) που αντιπροσωπεύει την
ενεργειακά πιο ευνοϊκή διαμόρφωση. L0=n/10.3 , n=αριθμός ζευγών βάσεων.
Σε χαλαρά μόρια L=L0. Όταν L>L0 προκύπτει θετική υπερελίκωση, ενώ L<L0
προκύπτει αρνητική υπερελίκωση. Προκειμένου η β-μορφή του DNA
(δίκλωνο μόριο) να γίνει κυκλικό θα πρέπει το 5΄ άκρο του κάθε κλώνου να
αναπτύξει δεσμό με το 3΄ άκρο του ίδιου κλώνου. Όποια και αν είναι η
υπερελίκωση το DNA θα βρίσκεται κάτω από τάση που θα οφείλεται στη
ροπή στρέψης.
Οι τοποϊσομεράσες είναι ένζυμα που δημιουργούν τοπολογικά ισομερή σε ένα
δίκλωνο μόριο DNA: Οι τοποϊσομεράσες χαλαρώνουν ένα υπερελικωμένο
δίκλωνο μόριο DNA είτε δημιουργούν υπερελικώσεις.
1. Τύπου Ι τοποϊσομεράσες: διασπούν ένα κλώνο και αφού τον περάσουν
από την άλλη μεριά του μη διασπασμένου κλώνου, αποκαθιστούν τον
φωσφοδιεστερικό δεσμό, ανακουφίζοντας το μόριο από την τάση. Δεν
χρειάζονται ενέργεια από την υδρόλυση ΑΤΡ για να αποκαταστήσουν το
φωσφοδιεστερικό δεσμό.
2. Τύπου ΙΙ τοποϊσομεράσες: διασπούν και τους δυο κλώνους.
Οι τοποϊσομεράσες δεν είναι υδρολυτικά ένζυμα. Μεταφέρουν μια
φωσφορυλ-ομάδα σε μια δική του τυροσίνη και αφού επιστρέψουν τον κλώνο
DNA αποδίδουν και πάλι της φωσφορυλομάδα στο 3΄ υδροξύλιο της ριβόζης
από όπου την διέσπασαν:
Τοποϊσομεράση-Τυρ-ΟΗ  Τοποϊσομεράση-Τυρ-Ο
H
|
|
DNA-O-P-O-DNA 
DNA-O-P + O-DNA
(υπερελίκωση)
(μετά τη στροφή του κλώνου)
3.1.2 Ο μηχανισμός αντιγραφής του DNA είναι ημισυντηρητικός.
- Οι δυο κώνοι του DNA συνθέτονται χωριστά ως συμπληρωματικά μόρια των
κλώνων του γονικού DNA που δρουν ως εκμαγείο. Μετά τον τερματισμό της
142
Τόμος Γ
-
Μοριακή Βιολογία
σύνθεσης ο κάθε νέος κλώνος ενώνεται με τον συμπληρωματικό γονικό του
και έτσι δεν ενώνονται οι δυο νέοι κλώνοι μεταξύ τους.
Ημισυντηρητικός μηχανισμός: είναι όταν το νέο δίκλωνο μόριο DNA περιέχει
έναν κλώνο από το γονικό DNA και ένα από τη νέα σύνθεση, δηλ ο γονικός
κλώνος συντηρείται κατά το ήμισυ στο νέο μόριο.
3.1.3 Η πιστότητα της αντιγραφής του γενετικού υλικού ενισχύεται από μηχανισμό διόρθωσης σφαλμάτων.
- Στον νέο κλώνο που συνθέτεται θα ενσωματωθει νουκλεοτίδιο μόνο αν η
βάση του νουκλεοτιδίου αναπτύξει δεσμούς Η με τη βάση του νουκλεοτιδίου
του γονικού κλώνου (που χρησιμεύει ως εκμαγείο). Αν όμως εμφανιστούν
ταυτομερείς μορφές βάσεων, έστω και προσκαιρα, στο εκμαγείο μπορεί να
ενσωματωθούν στο νέο κλώνο λάθος νουκλεοτίδια. Πχ η ενολική μορφή της
γουανίνης (ενολ-γουανίνη) αναπτύσει δεσμούς Η με θυμίνη αντί κυτοσίνη,
ενώ η ενολική μορφή της κυτοσίνης (ενολ-κυτοσίνη) ζευγαρώνει με αδενίνη
αντί γουανίνη. Τέτοιου είδους ταυτομέρειες έχουν πιθανότητα 1/104 - 1/105. Τα
σφάλματα όμως που γίνονται στην πραγματικότητα είναι 10.000-100.000
λιγότερα και οφείλονται στους μηχανισμούς διόρθωσης σφαλμάτων.
- Διόρθωση λαθών: Οι πολυμεράσες διορθώνουν τα δικά τους λάθη, και
περιέχουν μια υπομονάδα ή ενεργό κέντρο που λειτουργεί ως 3΄5΄
εξωνουκλεάση. Δηλ όταν κοντά στην πολυμεράση δημιουργηθεί περιοχή που
δεν υπάρχουν δεσμοί Η μεταξύ των βάσεων, τότε σταματά η συνθετική δράση
του ενζύμου και ενεργοποιείται η υδρολυτική δράση. Με αποτέλεσμα το
ένζυμο να πηγαίνει προς τα πίσω και να υδρολύει το νέο κλώνο και
αφαιρώντας ένα –ένα τα νουκλεοτίδιά του, μέχρις ότου η πολυμεράση φτάσει
σε μια περιοχή όπου το εκμαγείο είναι φυσιολογικό, οπότε ξεκινά πάλι η
συνθετική της δράση.
- Η κετο- μορφή γουανίνης και κυτοσίνης είναι η συνήθης γουανίνη και
κυτοσίνη, ενώ η ενολ- μορφή προκύπτει με διάσπαση του Ο=C δεσμού και η
δημιουργία N=C με μεταφορά Η προς δημιουργία –ΟΗ ρίζας, στα μόρια αυτά.
3.2 Αντιγραφή γενετικού υλικού προκαρυωτικών οργανισμών.
- Το χρωμόσωμα των βακτηρίων (προκαρυωτικά κύτταρα) είναι κυκλικό και
οργανωμένο σε βρόχους, που είναι αγκυροβολημένοι σε συμπυκνωμένη
πρωτεϊνική διάταξη στο πυρηνοειδές.
- Υπερσπείραμα: προκύπτουν όταν δημιουργούνται υπερελικώσεις είτε σε
κυκλικά μόρια DNA είτε σε μόρια που τα άκρα ή κάποιες περιοχές είναι
καθηλωμένες, όπως συμβαίνει με τους βρόχους που είναι καθηλωμένοι στον
κεντρικό πρωτεϊνικό πυρήνα του πυρηνοειδούς.
- Το χρωμοσωματικό DNA των βακτηρίων είναι αρνητικά υπερελικωμένο.
3.2.1 Έναρξη της αντιγραφής (πρώτο στάδιο).
- Η αντιγραφή του DNA του μικροοργανισμού Eschericia coli (E.coli) ξεκινά
από την εναρκτήρια περιοχή oriC στην οποία δεσμεύονται οι πρώτοι
παράγοντες αντιγραφής.
- Δομικά χαρακτηριστικά εναρκτήριας περιοχής oriC:
1. αποτελείται από 245 ζεύγη βάσεων, τουλάχιστον
2. περιέχει τέσσερα
9-μερή που έχουν κοινή πρωτοταγή δομή
5΄TTAT(C/A)CA(C/A)A στα οποία δεσμεύονται μορια του παράγοντα
έναρξης dnaA.
143
Τόμος Γ
-
-
Μοριακή Βιολογία
3. περιέχει τρία 13-μερή πλούσια σε αδενίνες και θυμίνες, από τα οποία
αρχίζει το «λιώσιμο» της διπλής έλικας και όπου δεσμεύεται η ελικάση.
4. περιέχει τις περισσότερες από τις 14 επαναλήψεις της αλληλουχίας GATC,
που αναγνωρίζεται από ένα ένζυμο (μεθυλαση) που μεθυλιώνει την
αδενίνη στην πιο πάνω αλληλουχία.
Στην εναρκτήρια περιοχή oriC (κυρίως στα 9-μερή της) δεσμεύονται 20 μόρια
της πρωτεΐνης dnaA, που έχει ΜΒ=52000 και δεσμεύει ΑΤΡ. Έτσι
δημιουργείται σύμπλοκο με μέρος της περιοχής oriC (μήκους 200 βάσεων) να
περιελίσσεται γύρω από τις πρωτεΐνες. Η υπόλοιπη εναρκτήρια περιοχή
(περιλαμβάνει τα 13-μερη) αποσταθεροποιείται και χάνει τους δεσμούς Η, με
αποτέλεσμα να μεταπέσει σε ανοιχτή διαμόρφωση. Για να γίνουν αυτά, το
DNA πρέπει να βρίσκεται σε αρνητική υπερελίκωση.
Στις μονόκλωνες πλέον περιοχές δεσμεύεται η dnaB, που προέρχεται από ένα
σύμπλοκο με την πρωτεΐνη dnaC. Η dnaC έχει δράση ενζύμου ελικάσης (βλ
3.1.1) που διασπά δεσμούς Η με ταυτόχρονη υδρόλυση ΑΤΡ. Εδώ τελειώνει
το στάδιο έναρξης αντιγραφής.
3.2.2 Επιμήκυνση των κλώνων του DNA (δεύτερο στάδιο).
- Το δεύτερο στάδιο αρχίζει με τη δέσμευση της πριμάσης, που είναι μια
πολυμεράση του RNA. Χρησιμοποιεί ως εκμαγείο τον κλώνο του DNA που
είναι δεσμευμένη η ελικάση και δημιουργούν σύμπλοκο που λέγεται
πριμόσωμα, συνθέτει ένα ριβο-ολιγονουκλεοτίδιο, την ίδια στιγμή που η
ελικάση προχωρά ανοιγοντας τους δυο κλώνους του DNA.
- Η πριμάση ενδέχεται να συνθέτει τον RNA-κινητήρα του προηγούμενου
κλώνου. Ίσως όμως μια πολυμεράση του RNA επίσης να τον συνθέτει (βλ κεφ
4).
- Προηγούμενος κλώνος: είναι πάντα 5΄3΄ και συνθέτεται συνεχόμενα από
έναν μόνο εκκινητήρα.
- Κλώνος που καθυστερεί: συνθέτεται με τον μηχανισμό των τεμαχίων Okazaki.
Καθε ένα τεμάχιο χρειάζεται δικό του εκκινητήρα που τον συνθέτει η
πριμάση.
- Μετά την ολοκλήρωση της δουλειάς της πριμάσης, αναλαμβάνει η
πολυμεράση του DNA. Υπάρχουν πολλές πολυμεράσες του DNA. Στο E.coli
υπάρχουν 3, οι pol I, pol II, pol III.
- Pol I (ή ένζυμο Kornberg): υδρολύει το RNA και τμήμα των τεμαχίων
Okazaki και συμπληρώνει τα κενά που μένουν. Έχει δράση 5΄3΄
(πολυμεράσης), 3΄5΄ (εξωνουκλεάσης) και 5΄3΄ (εξωνουκλεάσης), με
κάθε ένα κέντρο δράσης σε διαφορετική περιοχή του ενζύμου pol Ι.
- Pol II: άγνωστο τι κάνει. Πιθανώς επιδιορθώνει το DNA (βλ κεφ 8 τόμος Γ).
- Pol III: κάνει τη σύνθεση του προηγούμενου κλώνου και το DNA τμημάτων
των τεμαχίων Okazaki. Αποτελείται από 2 συγκροτήματα πρωτεϊνών που το
καθένα έχει (βλ σχήμα σελ 57) :
1. το α: πυρήνας πεπτιδίων που κάνει τη συνθετική δουλειά.
2. το ε: περιέχει την 3΄5΄ εξωνουκλεολυτική δράση
3. το θ: βοηθά στη συγκρότηση του ενζύμου
4. υπόλοιπα πεπτίδια: είναι βοηθητικά που συμμετέχουν στη δημιουργία του
ολοενζύμου (ανήκει και στα δυο συγκροτήματα). Συνθέτει ταυτόχρονα και
τον προηγούμενο και τον καθυστερημένο κλώνο.
5. υπομονάδες β: συγκροτούν τον ολισθαίνονται σφιγκτήρα (sliding clamp)
που διαπερνά τη διπλή έλικα κατά την αντιγραφή.
144
Τόμος Γ
-
-
-
-
-
-
Μοριακή Βιολογία
Το ολοένζυμο pol III με το ένα συγκρότημα συνθέτει τον προηγούμενο κλώνο
επιμηκύνοντας το μοναδικό RNA εκκινητήρα, ενώ στο δεύτερο συγκρότημα
περιελίσσεται ο κλώνος που καθυστερεί με αποτέλεσμα το ολοένζυμο
κινούμενο προς την κατεύθυνση που δείχνει η ελικάση να συνθέτει
ταυτόχρονα και τους δυο κλώνους. Στις μονόκλωνες περιοχές που δεν πέρασε
ακόμη η pol III δεσμεύονται πρωτεΐνες SSB που δεν επιτρέπουν την αναπτυξη
δεσμών Η μεταξύ συμπληρωματικών βάσεων του γονικού κλώνου. Οι β
υπομονάδες του pol ΙΙΙ δημιουργούν τον ολισθαίνοντα σφιγκτήρα μέσα στον
οποίο διολισθαίνει το DNA και επίσης βοηθά να παραμείνει η pol III
δεσμευμένη στο εκμαγείο της για πολλές χιλιάδες βάσεις, σε αντίθεση με την
pol I που αποκολλάται.
Σύνθεση του κλώνου που καθυστερεί: προκειμένου να ολοκληρωθεί η
σύνθεσή του πρέπει,
1. να απομακρυνθεί ο RNA εκκινητήρας των τεμαχίων Okazaki (γίνεται από
την pol I) ,
2. να συμπληρωθούν τα κενά στον κλώνο που αφήνει η απομάκρυνση του
εκκινητήρα (γίνεται από την pol I),
3. να γίνει η σύνδεση των γειτονικών τεμαχίων Okazaki.
Το ένζυμο pol I προεκτείνει το προηγούμενο τεμάχιο Okazaki από το σημείο
που το εγκατέλειψε η pol III όταν συνάντησε τον RNA-εκκινητήρα του
επόμενου τεμαχίου Okazaki. Με την 5΄3΄ εξωνουκλεολυτική δράση (μπρός
δράση) υδρολύει το ολιγονουκλεοτίδιο που χρησιμεύει ως εκκινητήρας του
επόμενου τεμαχίου Okazaki και μπορεί να προχωρήσει και στην DNA
περιοχή μέχρι να αποπέσει από το εκμαγείο.
Λιγάση του DNA: αποκαθιστά τον ακραίο φωσφοδιεστερικό δεσμό μεταξύ
του προηγούμενου τεμαχίου Okazaki και του επόμενού του. Καταλύει την
αντίδραση:
DNA-(3΄)-ΟΗ + Η2ΡΟ4-(5΄)-DNA +ΑΤΡ(NAD+)  DNA-O-PO3-DNA +
AMP + PPi(NMR).
Η λιγάση του DNA ενώνει δυο μόρια DNA αποκαθιστώντας ένα
φωσφοδιεστερικό δεσμό μεταξύ τους , αξιοποιώντας της ενέργεια που
εκλύεται από την υδρόλυση ενός μορίου ΑΤΡ προς AMR και πυροφωσφορικά
(PPi) ή ενός μορίου NAD+ προς ΑΜΡ και νικοτιναμιδο-μονονουκλεοτίδιο
(ΝΜΡ).
Γυράση του DNA: δημιουργεί αρνητική υπερελίκωση για να αντισταθμίσει
την θετική υπερελίκωση του κυκλικού DNA του E.coli, καθώς η ελικάση
προχωρεί και ανοίγει τους δυο κλώνους του γονικού DNA του βακτηρίου
E.coli.
Διόρθωση σφαλμάτων: Κατά τη διάρκεια της επιμήκυνσης των κλώνων
λειτουργεί ο μηχανισμός επιδιόρθωσης σφαλμάτων (βλ 3.1.3) που στηρίζεται
στην ιδιότητα των pol I, III να αντιλαμβάνονται λαθεμένου νουκλεοτιδίου και
να το αφαιρούν με την 3΄5΄ εξωνουκλεολυτική δράση τους. Επιπλέον όμως
στο βακτήριο E.coli λειτουργεί το ένζυμο μεθυλάση (Dam=DNA adenine
methylase) που μεθυλιώνει τις αδενίνες στην αλληλουχία GATC . Όπου
ενσωματωθεί νουκλεοτίδιο που η βάση του δεν αναπτύσει δεσμούς Η τότε
δεσμεύεται ένα σύμπλοκο πρωτεϊνών που έχει ένζυμο που διασπά ένα
φωσφοδιεστερικό δεσμό όταν μόνον η αδενίνη στην κρίσιμη ακολουθία δεν
έχει ακόμα μεθυλιωθεί. Η Pol Ι με την εξωνουκλεολυτική της δράση υδρολύει
τον κλώνο με την ανώμαλη βάση, ενώ με τη συνθετική της δράση
συμπληρώνει το κενό που δημιουργείται.
145
Τόμος Γ
Μοριακή Βιολογία
3.2.3 Τερματισμός της αντιγραφής (τρίτο στάδιο).
- Ο τερματισμός της αντιγραφής γίνεται με έναν από του δυο τρόπους:
1. η σύνθεση του DNA σταματά όταν συναντηθούν τα δυο ρεπλισώματα
(που έχουν ήδη ξεκινήσει από την περιοχή έναρξης σε αντίθετες
κατευθύνσεις)
2. όταν τα ρεπλισώματα φτάσουν σε μια περιοχή τερματισμού της
αντιγραφής που αποτελείται από συγκεκριμένες αλληλουχίες
νουκλεοτιδίων (όπως συμβαίνει στο E.coli). Στις περιοχές αυτές
δεσμεύεται ο παράγοντας Tus που παρεμποδίζει τη δράση της ελικάσης
και σταματά η πρόοδος του ρεπλισώματος στη διχάλα αντιγραφής. Η δομή
μοιάζει με δυο κρίκους. Το σπάσιμο του κρίκου και ο χωρισμός των δυο
μορίων γίνεται από την τοποϊσομεράση τύπου ΙΙ (ή τη γυράση) που αφού
διασπασει τους δυο κλώνους του ενός μορίου DNA τους επανασυνδέει
αφού τους μεταφέρει από την άλλη μεριά του άθικτου κυκλικού μορίου.
3.3 Αντιγραφή του γενετικού υλικού ευκαρυωτικών οργανισμών. Διαφορές με
τους προκαρυωτικούς.
- Η αντιγραφή DNA ευκαρυωτικών κυττάρων είναι η ίδια με εκείνη των
προκαρυωτικών (βλ 3.1).
- Η μεγαλύτερη πολυπλοκότητα των διεργασιών αντιγραφής του DNA στους
ευκαρυωτικούς οφείλεται σε
1. τα ευκαρυωτικά χρωμοσώματα είναι μεγαλύτερα από τα προκαρωτικά
2. το DNA στη χρωματίνη (ευκαρυωτικοί) είναι πολύ πιο συμπυκνωμένο από
ότι στο πυρηνοειδές (προκαρυωτικοί).
3.3.1 Η αντιγραφή των ευκαρυωτικών χρωμοσωμάτων ξεκινά από πολλές περιοχές έναρξης.
- Το ευκαρυωτικό χρωμόσωμα έχει πολλές περιοχές έναρξης της αντιγραφής,
αντί μιας που υπάρχει στο προκαρυωτικό.
- Σε καθε περιοχή έναρξης αναπτύσσονται δυο διχάλες αντιγραφής που
προχωρούν προς αντίθετες κατευθύνσεις.
3.3.2 Η ενζυμολογία της αντιγραφής του ευκαρυωτικού χρωμοσώματος μοιάζει
πολύ με εκείνη του προκαρυωτικού.
- Στα ευκαρυωτικά, όπως και στα προκαρυωτικά, υπάρχουν
1. ελικάσες (περισσοτερες της μιας)
2. SSB
3. τοποϊσομεράσες
4. πολυμεράσες
5. λιγάσες
- Πολυμεράσες: στα θυλαστικά υπάρχουν οι πολυμεράσες α, β, γ, δ, ε.
1. πολυμεράση γ: είναι μιτοχονδρική (η μόνη που δεν βρίσκεται στον πυρήνα
του κυττάρου)
2. πολυμεράση δ: κάνει την κύρια δουλειά της αντιγραφής του DNA,
συνθέτοντας τον προηγούμενο κλώνο. Περιέχεται στο ρεπλίσωμα.
3. πολυμεράση α: έχει δράση πριμάσης , δηλ συνθέτει το ολιγοριβονουκλεοτίδιο που δρα ως εκκινητήρας στα τεμάχια Okazaki του κλώνου που
καθυστερεί και προσθέτει 4-5 δεοξυνουκλεοτίδια. Περιέχεται στο
ρεπλίσωμα.
146
Τόμος Γ
-
-
Μοριακή Βιολογία
4. πολυμεράση ε: δεν είναι γνωστός ο ρόλος της.
Στα ευκαρυωτικά δεν υπάρχει ένζυμο αντίστοιχο της pol I των προκαρυωτικών,
δηλ μια πολυμεράση του DNA που περιέχει τόσο 3΄5΄ όσο και 5΄3΄
εξωνουκλεολυτική δράση. Η υδρολυτική απομάκρυνση των DNAεκκινητήρων γινεται από ειδική 5΄3΄ εξωνουκλεάση, είτε μόνη της ειτε σε
συνδιασμό με τη δράση μιας ριβονουκλεάσης, της Rnase H, που αποσπά
υδρολυτικά το ριβονουκλεοτίδιο που είναι υβριδοποιημένο με το RNA .
Δεν υπάρχει γυράση στα ευκαρυωτικά κύτταρα. Η γυράση είναι τοποϊσομεράση
τύπου ΙΙ και μπορεί να παρεμβάλλει αρνητικές υπερελικώσεις στο DNA του
προκαρυωτικού χρωμοσώματος. Ο λόγος που δεν υπάρχει στο ευκαρυωτικό
είναι ότι κατά τη δημιουργία του νουκλεοσώματος το DNA περιελίσσεται
γύρω από τις ιστόνες ώστε να είναι αρνητικά υπερελικωμένο. Επειδή όμως
δεν διαπιστώνονται δεσμοί προκειμένου να χαλαρώσει το μόριο, αλλά ούτε
και το DNA της χρωματίνης μπορεί να περιστραφεί ελεύθερα, αναπτύσσονται
θετικές υπερελικώσεις αλλού στο μόριο του DNA έξω από το πυρηνόσωμα.
Τις θετικές υπερελικώσεις τις εξουδετερώνουν οι ευκαρυωτικές
τοποϊσομεράσες Ι ή ΙΙ και αποκτά το DNA αρνητική υπερελίκωση.
3.3.3 Ο τερματισμός της αντιγραφής γραμμικών ευκαρυωτικών χρωμοσωμάτων
γίνεται με διαφορετικό μηχανισμό από εκείνο των προκαρυωτικών κυκλικών
χρωμοσωμάτων.
- Όταν το ρεπλίσωμα φτάσει στο τελος ενός γραμμικού χρωματοσώματος, ενώ
θα έχει ολοκληρωθεί η σύνθεση του προηγούμενο κλώνου (5΄3΄) υπάρχει
αδυναμία ολοκλήρωσης του κλώνου που καθυστερεί (3΄5΄) διότι δεν
υπάρχει DNA για να λειτουργησει ως εκμαγείο για τη σύνθεση του RNAεκκινητήρα του τελευταίου τεμαχίου Okazaki. Το πρόβλημα λύνεται με τα
τελειομερή.
- Τελομερή: είναι βραχείες επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες DNA που δεν
περιέχουν πληροφορία. Περιέχουν γουανυλικά.
- Τελομεράση: είναι το ένζυμο που συνθέτει το τελομερές DNA. Είναι
πολυμεράση του DNA, δηλ ενσωματώνει δεοξυνουκλεοτίδια σε μια
προϋπάρχουσα αλυσίδα του DNA από τους αντίστοιχους τριφωσφορικούς
εστέρες, χρησιμοποιώντας εκμαγείο το RNA. Δηλ ειναι μια αντίστροφη
τρανσκριπτάση (βλ κεφ 9 τόμος Γ). Το εκμαγείο RNA αποτελεί μέρος του
μορίου της τελομεράσης.
3.3.4 Η δομή της χρωματίνης κατά τη διαδικασία αντιγραφής του γενετικού
υλικού.
- Το βασικό δομικό στοιχείο της χρωματίνης είναι το νουκλεόσωμα, που
αποτελείται από οκταμερές σύμπλοκο ιστονών στο οποίο περιελίσσεται το
DNA δυο φορές. Συμπληρώνεται από ένα μόριο ιστόνης Η1.
Σύνοψη.
- Υπάρχει ενιαίος τρόπος για την αντιγραφη του DNA όλων των ζωντανών
οργανισμών.
- Η διαδικασία της αντιγραφής αποτελείται από 3 στάδια:
1. έναρξη αντιγραφής
2. σύνθεση DNA
3. τερματισμός αντιγραφής.
147
Τόμος Γ
-
Μοριακή Βιολογία
Υπάρχουν διαφορες κατά την αντιγραφή ευκαρυωτικού χρωμοσώματος και
προκαρυωτικού, λόγω του μεγαλύτερου μεγέθους του ευκαρυωτικού
χρωμοσώματος.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης.
- Α. Η τελομεράση είναι:
1. μια πολυμεράση που συνθέτει DNA με εκμαγείο RNA
2. μια ριβονουκλεοπρωτεΐνη.
- Β. Οι πολυμεράσες του DNA:
1. μπορούν να χρησιμοποιήσουν ως εκκινητήρα ή DNA ή RNA.
2. πάντα συνθέτουν με κατεύθυνση 5΄3΄.
- Γ.
1. Okazaki  κλώνος που καθυστερεί
2. πριμάση  πολυμεράση του RNA
3. γυράση  αρνητική υπερελίκωση
4. 9-μερή, 13-μερή  εναρκτήρια περιοχή
5. LL0  θετική υπερελίκωση
6. ελικάση  διάσπαση δεσμών Η
- Δ.
1. Λάθη κατά την αντιγραφή του DNA αν δεν διορθωθούν, κληρονομούνται.
2. Η ελικάση λειτουργεί σε συνδιασμό με την υδρόλυση ΑΤΡ.
3. Μόνο οι πολυμεράσες του DNA χρειάζονται εκκινητήρα προκειμένου να
δράσουν. Η πριμάση είναι μια πολυμεράση του RNA που δεν χρειάζεται
εκκινητήρα.
4. Μόνο ο κλώνος που καθυστερεί συνθέτεται με το μηχανισμό τεμαχίων
Okazaki. Ο προηγούμενος κλώνος συνθέτεται συνεχώς και αδιάλειπτα
μετά τη σύνθεση του πρώτου και μοναδικού εκκινητήρα.
5. Υπερσπειράματα δημιουργούνται σε περίπτωση τόσο θετικής όσο και
αρνητικής υπερελίκωσης.
6. Στα ρεπλισώματα πάντα υπάρχουν 2 μόρια πολυμεράσης.
- Ε.
1. Το σύνολο της περιοχής του DNA που αντιγράφεται κάτω από τον έλεγχο
μιας περιοχής έναρξης καλείται ρεπλικόνιο.
2. Πριμόσωμα είναι το σύμπλοκο των ενζύμων προμάσης και ελικάσης.
3. Λάθη ενσωμάτωσης νουκλεοτιδίων στο προκαρυωτικό DNA
διορθώνονται από τα ένζυμα πολυμεράσες.
4. Η εξουδετέρωση υπερσπειραμάτων σε μόρια DNA γίνεται από ένζυμα
γνωστά ως τοποϊσομεράσες.
- ΣΤ.
1. Η σύνθεση του DNA γίνεται με τον ημισυντηρητικό μηχανισμό
2. Τα ένζυμα που επιμηκύνουν της αλυσίδα του DNA καλούνται
πολυμεράσες.
3. Το ένζυμο που δημιουργεί αρνητικές υπερελικώσεις καλείται γυράση.
4. Τελομερή υπάρχουν σε γραμμικά μόρια DNA.
5. Τα τελομερή είναι πλούσια σε γουανιλικά.
- Ζ. Οι εναρκτήριες περιοχές συμφέρει να είναι πλούσιες σε αδενίνες και
θυμίνες, παρά σε γουανίνες και κυτοσίνες. Αυτό γιατί οι δεσμοί Η είναι 2 στο
ζεύγος αδενίνης-θυμίνης και 3 στο ζεύγος γουανινης-κυτοσίνης. Όταν
πρόκειται να «λειώσει» μια περιοχή για να διαχωριστούν οι κλώνοι και να
148
Τόμος Γ
-
Μοριακή Βιολογία
ξεκινήσει η αντιγραφή του DNA, δηλ να αξουδετερωθούν οι δεσμοί Η, θα
απαιτηθεί λιγότερη ενέργεια αν η εναρκτήρια περιοχή πρόκειται να είναι
περιοχή με περισσότερο αδενίνη-θυμίνη (2 δεσμοί Η) παρά γουανίνηκυτοσίνη (3 δεσμοί Η).
Η. Το μόρφωμα που προκύπτει κατά την αντιγραφή του μισού περίπου
χρωματοσώματος του E.coli μοιάζει με το γράμμα θ. Για αυτό ο μηχανισμός
αυτός λέγεται θήτα αντιγραφή.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4
Εισαγωγή.
- Πρώτο στάδιο γονιδιακής έκφρασης: μεταγραφή γενετικής πληροφορίας από
το DNA στο RNA.
- Μεταγραφή γενετικής πληροφορίας: είναι η ροή της γενετικής πληροφορίας
μέσω μορίων RNA. Υπάρχουν διαφορές της διαδικασίας μεταγραφής μεταξύ
ευκαρυωτικών- προκαρυωτικών οργανισμών.
- Η ροή της γενετικής πληροφορίας ακολουθεί την οδό:
μεταγραφή
-
μετάφραση
DNA

RNA

πρωτεΐνη.
(1ο στάδιο)
(2ο στάδιο)
Η μεταγραφή είναι το 1ο στάδιο και η μετάφραση το 2ο στάδιο.
Στο 1ο στάδιο γίνεται και ο κυρίως έλεγχος της όλης διαδικασίας.
Υπάρχει ενιαίος τρόπος μεταγραφής της γενετικής πληροφορίας που
στηρίζεται στη σύνθεση μορίων RNA, λίγα από τα οποία χρησιμοποιούνται
ως έχουν (ριβοσωμικά και μεταφέροντα RNA), ενώ τα περισσότερα
λειτουργούν ως ενδιάμεσοι φορείς πληροφορίας από το DNA στις πρωτεΐνες
και είναι γνωστά ως αγγελιοφόρα RNA (mRNA).
4.1 Γονιδιακή έκφραση-Μοριακή διάσταση.
- Γονιδιακή έκφραση: είναι η άντληση της πληροφορίας από τα γονίδια για
παραγωγή προϊόντων.
4.1.1 Η έννοια του γονιδίου και η λειτουργική του αρχιτεκτονική.
- Ορισμοί του γονιδίου:
1.
είναι η φυσική και λειτουργική μονάδα της γενετικής πληροφορίας που
έχει δυνατότητα να εκφραστεί (δηλ να δώσει πληροφορία).
2.
είναι μια περιοχή του DNA που μπορεί να λειτουργεί ως μήτρα ή ως
εκμαγείο, για την παραγωγή προϊόντων, που μπορεί να είναι είτε μόρια
DNA είτε πεπτιδικές αλυσίδες.
- Το DNA δεν περιέχει μόνο γονίδια αλλά και περιοχές που δεν εκφράζονται σε
προϊόντα, όπως τα τελομερή, οι περιοχές έναρξης της αντιγραφής, κ.α. Αυτές
οι περιοχές καταλαμβάνουν και το μεγαλύτερο ποσοστό.
- Οπερόνιο: είναι μια μονάδα μεταγραφής. Περιλαμβάνει μια αλληλουχία
γονίδιων (προκαρυωτικοί).
- Διακριτές περιοχές των γονιδίων με συγκεκριμένη λειτουργία:
1. μονάδα μεταγραφής (transcription unit): στους προκαρυωτικούς
περιλαμβάνει περισσότερα του ενός γονιδίου (οπερόνιο) , ενώ στους
ευκαρυωτικούς είναι ακριβώς ένα γονίδιο.
149
Τόμος Γ
-
Μοριακή Βιολογία
2. Κωδικεύουσα περιοχή (coding region) ή ανοιχτό πλαίσιο ανάγνωσης
(ORF): είναι η περιοχή του γονιδίου που μεταφράζεται μόνο σε πρωτεΐνη.
3. εσωτερικές μη κωδικεύουσες περιοχές (internal noncoding regions):
χωρίζουν τα γονίδια που ανήκουν σε ένα οπερόνιο ή ακόμη βρίσκονται
στα άκρα των οπερονίων (αυτες λέγονται 3΄ ή 5΄ μη μεταφραζόμενες
περιοχές). Δεν μεταφράζονται σε πληροφορία και παίζουν ρυθμιστικό
ρόλο. Ονομάζονται αλλοιώς και αλληλουχίες οδηγοί ή και μετα-τερματικές
αλληλουχίες.
4. Εξόνια: είναι οι κωδικεύουσες περιοχές των ευκαρυωτικών γονιδίων.
Αποτελούνται από 1.500 περίπου βάσεις έκαστο.
5. Ιντρόνια: μη κωδικεύουσες περιοχές (αλληλουχίες) που διακόπτουν τα
εξόνια. Τα ανθρώπινα γονίδια περιέχουν 2-50 ιντρόνια από 50-20.000
ζεύγη βάσεων το καθένα. Στο 5΄ άκρο τους αρχίζουν με την ακολουθία
GU ενώ στο 3΄ τελειώνουν με την AG.
Όλη η μονάδα μεταγραφής μεταγράφεται σε ένα μόριο mRNA από όπου, στα
ευκαρυωτικά, απομακρύνονται τα ιντρόνια.
Πολυκιστρόνια: είναι τα προκαρυωτικά μόρια mRNA. (κιστρόνιο=γονίδιο).
4.1.2 Η γονιδιακή έκφραση γίνεται σε διάφορα στάδια ή επίπεδα.
- Γονιδιακή έκφραση: είναι η διαδικασία που ξεκινά από την άντληση
πληροφορίας από το γονίδιο και καταλήγει στη δημιουργία προϊόντος.
- Στάδια γονιδιακής έκφρασης:
1. προετοιμασία γονιδίου: προετοιμάζονται σε διάφορα επίπεδα, πχ
τροποποιείται η δομή της χρωματίνης για να διευκολυνθεί η πρόσβαση
παραγόντων μεταγραφής και ενζύμων στο γονίδιο, ή αλλάζει η τοπολογία
και διαμόρφωση του DNA.
2. μεταγραφή γονιδίου: το γονίδιο μεταγράφεται σε μόρια RNA. Είναι το
κύριο επίπεδο ελέγχου της γονιδιακής εκφρασης.
3. επεξεργασία μορίων RNA: τα πρωτογενή μόρια RNA υφίστανται
τροποποιήσεις τόσο στα άκρα όσο και στο εσωτερικό του μορίου τους και
μετά μεταφέρουν το μήνυμα στα ριβοσώματα.
4. έξοδος του RNA από τον πυρήνα στο κυτταρόπλασμα: στα ευκαρυωτικά
κύτταρα η μεταγραφή των γονιδίων γίνεται στον πυρήνα, αλλά η σύνθεση
των πρωτεϊνών (από το RNA) γίνεται στο κυτταρόπλασμα. Έτσι
παρέχεται η προστασία από την υδρολυτική δράση πολλών
νουκλεολυτικών ενζύμων.
5. ανακύκλιση των μορίων mRNA: στους προκαρυωτικούς οργανισμούς το
mRNA έχει χρόνο ημιζωής ολίγων λεπτών, ενώ στους ευκαρυωτικούς το
mRNA επιβιώνει από δέκα λεπτά έως δυο μέρες.
6. σύνθεση πρωτεϊνών: το τελευταίο στάδιο της γονιδιακής έκφρασης είναι
η σύνθεση της πεπτιδικής αλυσίδας, για την αλληλουχία των αμινοξέων
της οποίας έχει την πληροφορία το αντίστοιχο γονίδιο.
7. ολοκλήρωση της δομής των πρωτεϊνών, μετακίνησή τους στο κατάλληλο
κυτταρικό διαμέρισμα και ανακύκλιση των πρωτεϊνών.
4.2 Η στρατηγική της μεταγραφής του γενετικού υλικού.
- Ριβόσωμα: μοριακό συγκρότητα μεταφρασης της πληροφορίας και σύνθεσης
της πρωτεΐνης. Βρίσκεται στο κυτταρόπλασμα.
- mRNA: μεταφέρει την πληροφορία για τη δομή μιας πρωτεΐνης από το DNA
(πυρήνα) στο ριβόσωμα (κυτταρόπλασμα).
150
Τόμος Γ
-
Μοριακή Βιολογία
Μεταγραφή = σύνθεση του RNA .
4.2.1 Η μεταγραφή του γενετικού υλικού γίνεται σε τρία στάδια.
- Πολυμεράση του RNA: είναι ένζυμο που καταλύει την αντίδραση:
DNA
-
-
-
NTP + nXTP  NTP-(XMP)n + nPPi , όπου
NTP=τριφωσφορικός εστέρας νουκλεοζιτών (αποτελεί το 5΄ άκρο του RNA)
ΧΤΡ=οποιοσδήποτε τριφωσφορικός εστέρας νουκλεοζιτών που προσφέρει τα
αντίστοιχα ΧΜΡ.
ΧΜΡ=ριβο-μονονουκλεοτίδια
PPi=πυροφωσφορικό.
Οι τριφωσφορικός εστέρας νουκλεοζιτών (ΝΤΡ) που χρησιμοποιούνται ως
υποστρώματα από τις πολυμεράσες του RNA και είναι οι ΑΤΡ, GTP, CTP,
UTP. Οι πολυμεράσες του RNA είτε επιμηκύνουν μια αλυσίδα είτε την
συνθέτουν από την αρχή. Η παρουσία DNA είναι απαραίτητη διότι ο ένας εκ
των δυο του κλώνος χρησιμεύει ως εκμαγείο.
Στάδια μεταγραφής γενετικής πληροφορίας:
1. έναρξη μεταγραφής
2. επιμήκυνση της αλυσίδας του RNA
3. τερματισμός μεταγραφής.
cis-δραστικά στοιχεία: είναι αλληλουχίες νουκλεοτιδίων που ρυθμίζουν
γονιδια που βρίσκονται στο ίδιο χρωμόσωμα, ενώ δεν επηρεάζουν γονίδια σε
άλλα χρωμοσώματα.
trans-δραστικοί παράγοντες: είναι πρωτεΐνες ή μόρια RNA που ρυθμίζουν την
έκφραση των γονιδίων με τα οποία έρχονται σε επαφή. Ειδικότερα α) στο
DNA ρυθμίζουν την μεταγραφή (λέγονται και παραγοντες μεταγραφής), β)
στο mRNA ρυθμίζουν την ωρίμανση του RNA, την ανακύκλιση και την
πρωτεϊνική σύνθεση.
4.2.2 Έναρξη μεταγραφής (πρώτο στάδιο).
- Η πολυμεράση του RNA αναγνωρίζεται και δεσμεύεται από τον προαγωγό
που είναι ένα cis-δραστικό στοιχείο DNA που εντοπίζεται κοντά προς το
σημείο έναρξης της μεταγραφής. Το γονίδιο (ή συστοιχία γονιδίων) που
πρόκειται να μεταγραφεί αποτελεί τη μονάδα μεταγραφής ή οπερόνιο (βλ
4.1.1).
- Μεταγράφημα (transcript): είναι το μόριο του RNA στο οποίο μεταγράφεται η
μονάδα μεταγραφής (οπερόνιο). Το πρώτο νουκλεοτίδιο στο μεταγράφημα
αντιστοιχεί στη θέση +1 της μονάδας μεταγραφής. Το αμέσως προηγούμενο
νουκλεοτίδιο στον αντίστοιχο κλώνο DNA ορίζεται στη θέση –1. Δεν υπάρχει
θέση 0. Ο προαγωγός καλύπτει μια περιοχή 40 νουκλεοτιδίων. Το
μεταγράφημα στους προκαρυωτικούς συμπίπτει με το mRNA.
- Η μεταγραφή αρχίζει με την τοποθέτηση του πρώτου νουκλεοτιδίου στο
μεταγράφημα, που έχει συνήθως μια βάση πουρίνης και διατηρεί και τα 3
φωσφορικά του. Όταν σταθεροποιηθεί το σύμπλοκο προαγωγού-πολυμεράσης
του RNA, ακολουθεί το στάδιο επιμηκυνσης της αλυσίδας.
- Πολλές φορές όμως το σύμπλοκο είναι ασταθές και προκύπτει μια ατελέσφορη
έναρξη που δημιουργούνται μικρού μεγέθους μεταγραφήματα.
- Οποιοσδήποτε από τους δυο κώνους DNA μπορεί και λειτουργεί ως εκμαγείο
για τη μεταγραφή γονιδίων. Ο αντίστοιχος προαγωγός καθορίζει ποιός κλώνος
θα χρησιμεύσει ως εκμαγείο και προς ποιά κατεύθυνση θα οδεύσει η
151
Τόμος Γ
Μοριακή Βιολογία
πολυμεράση του RNA. Το ένζυμο αυτό κινείται υποχρεωτικά σε κατεύθυνση
3΄5΄ ως προς τον κλώνο-εκμαγείο του DNA προκειμένου να συνθέσει RNA
με κατεύθυνση 5΄3΄.
4.2.3 Επιμήκυνση της αλυσίδας του RNA (δεύτερο στάδιο).
- Το δεύτερο στάδιο μεταγραφής του DNA καταλύεται από την πολυμεράση
του RNA που κινείται κατά μήκος του κλώνου του DNA που χρησιμεύει ως
εκμαγείο, δηλ του αντινοηματικού κλώνου (ή αντικωδικεύων κλώνος),
συνθέτοντας μια αλυσίδα RNA με κατεύθυνση 5΄3΄. Η αλληλουχία των
νουκλεοτιδίων του RNA που συνθέτεται είναι συμπληρωματική προς εκείνη
του αντινοηματικού κλώνου και πανομοιότυπη με εκείνη του απέναντι
νοηματικού (ή κωδικεύων κλώνου).
- Καθώς προχωρεί η πολυμεράση του RNA, η διπλή έλικα του DNA
ξετυλίγεται μπροστά από το ένζυμο και ξανατυλίγεται από πίσω του.
- Φυσαλίδα μεταγραφής: είναι η περιοχή του DNA που είναι λοιωμένη.
- Οι πολυμεράσες (ένζυμα) του RNA διαφέρουν από του DNA στο ότι :
1. οι πολυμεράσες του RNA μπορούν να συνθέτουν RNA από την αρχή, ενώ
οι πολυμεράσες του DNA μπορούν να προσθέτουν δεοξυνουκλεοτίδια σε
προϋπάρχοντα μόρια DNA ή RNA.
2. οι πολυμεράσες του RNA δεν μπορούν να διορθώσουν δικά τους
σφάλματα ενσωμάτωσης νουκλεοτιδίων κατά την αντιγραφή (βλ 3.1) γιατί
δεν υδρολύουν, ενώ οι πολυμεράσες του DNA μπορούν.
- Στο στάδιο επιμήκυνσης της αλυσίδας του RNA γίνονται οι ακόλουθες
διεργασίες:
1. επιλέγει η πολυμεράση του RNA ένα τριφωσφορικό εστέρα ριβονουκλεοζιτών με κριτήριο αν αναπτύσει δεσμούς Η ή όχι με τη βάση του
αντίστοιχου νουκλεοτιδίου του DNA-εκμαγείου.
2. ενσωμάτωνση του ριβονουκλεοτιδίου του επιλεγόμενου τριφωσφορικού
εστέρα στην αλυσίδα RNA που συνθέτεται, με αποκατάσταση του
αντίστοιχου φωσφοδιεστερικού δεσμού.
3. μετακίνηση της πολυμεράσης του RNA στο επόμενο ζεύγος βάσεως του
εκμαγείου και διάσπαση των δεσμών Η του εν λόγω ζεύγους βάσεων.
4. αποκατάσταση των δεσμών Η του ζεύγους βάσεων του DNA που
παραμενει έξω από τη φυσαλίδα μεταγραφής λόγω μετακίνησης της
πολυμεράσης του RNA.
4.2.4 Τερματισμός σύνθεσης του RNA (τρίτο στάδιο).
- Υπάρχουν διάφοροι μηχανισμοί τερματισμού της σύνθεσης του
μεταγραφήματος:
1. αναστολή παραπέρα σύνθεσης RNA λόγω δευτεροταγών διαμορφώσεων
στο μεταγράφημα
2. παρουσία σημάτων τερματισμού στο DNA-εκμαγείο
3. αποκοπή μεταγραφήματος.
- Όποιος και να είναι ο μηχανισμός τερματισμού, η διαδικασία καταλήγει στην
αποδέσμευση της πολυμεράσης του RNA και άλλων τυχόν βοηθητικών
παραγόντων και στην απελευθέρωση του μεταγραφήματος.
- Γενική στρατηγική (βλ 4.2) που επικράτησε κατά την εξέλιξη:
1. σύνθεση RNA από τα ένζυμα πολυμεράσες του RNA με υποστρώματα
τους τριφωσφορικούς εστέρες ριβονουκλεοζιτών ΑΤΡ, GTP, CTP, UTP.
152
Τόμος Γ
Μοριακή Βιολογία
2. συμμετοχή μιας περιοχής ενός κλώνου DNA ως εκμαγείο (αντινοηματικός
κλώνος) με αποτέλεσμα το μόριο RNA που συνθέτεται, δηλ το
μεταγράφημα, να έχει αλληλουχία βάσεων συμπληρωματική προς εκείνη
του αντινοηματικού κλώνου αλλά ταυτόσημη με εκείνη του νοηματικού
κλώνου. Με τον τρόπο αυτό συντηρείται στο RNA όλη η γενετική
πληροφορία που εμπεριέχεται στο DNA-εκμαγείο.
3. το μεταγράφημα απελευθερώνεται και παραμένει ως μονόκλωνο μόριο,
ενώ αποκαθίσταται η δίκλωνη διάταξη του DNA-εκμαγείου.
4.3 Μεταγραφή του γενετικού υλικού στους προκαρυωτικούς οργανισμούς.
- Μεταγραφή γενετικού κώδικα: στους προκαρυωτικούς οργανισμούς
ακολουθείται η σειρά, όπως περιγράφηκε στην ενότητα 4.2.
- Κεντρικό ρόλο στη μεταγραφή παίζει η πολυμεράση του RNA που συνθέτει
όλα τα RNA (mRNA, rRNA, tRNA).
- Μεταγραφή στο βακτήριο E.coli (Escherichia coli): στο E.coli η πολυμεράση
(ένζυμο) RNA είναι μια τετραμερής πρωτεΐνη τύπου α2ββ΄. Η πολυμεράση
είναι σε θέση να επιμηκύνει μια αλυσίδα RNA αλλά όχι να την ξεκινήσει. Για
την έναρξη της μεταγραφής απαιτείται η πρωτεϊνική υπομονάδα μεταγραφικός
παράγοντας σ που αναγνωρίζει τον αντίστοιχο προαγωγό κάθε φορά που
δημιουργεί το εναρκτήριο μεταγραφικό σύμπλοκο. Το σύμπλοκο α2ββ΄σ
καλείται ολοένζυμο.
- Ο παράγοντας σ, του E.coli, αναγνωρίζει δυο περιοχές στον προαγωγό:
1. περιοχή Pribnow, στη θέση 10, που περιέχει την αλληλουχία ΤΑΤΑΑΤ
2. τη θέση 35 με ακολουθία TTGACAT.
- Έναρξη μεταγραφής στο E.coli: ξεκινά με δεσμευση του ολοενζύμου της
πολυμεράσης του RNA μέσω του παράγοντα σ στον προαγωγό του γονιδίου.
Το ολοένζυμο αναγνωρίζει τις σημαντικές αλληλουχίες του προαγωγού.
Μετά, το DNA στην περιοχή του προαγωγού ξεδιπλώνει και η αλληλεπιδραση
ολοενζύμου–DNA σταθεροποιείται και γίνεται μη αντιστρεπτή. Το προκύπτων
σύμπλοκο λέγεται ανοικτό σύμπλοκο μεταγραφής. Η μεταγραφή ξεκινά με την
ενσωμάτωση του πρωτου υποστρωματος, δηλ ΑΤΡ, ή GTP (το πρώτο
νουκλεοτίδιο συγκρατεί και τα 3 φωσφορικά). Η προσθήκη νουκλεοτιδίων
συνεχίζεται με την πολυμεράση να κινείται πάντα 3΄5΄ προς το εκμαγείο,
αλλά μετά την ενσωμάτωση λίγων νουκλεοτιδίων το ένζυμο σταματά και
επιστρέφει στην εναρκτήρια περιοχή. Όταν το ολοένζυμο ξεπεράσει τον
προαγωγό ο παράγοντας σ απελευθερώνεται ενω το κυρίως ένζυμο συνεχίζει
να επιμηκύνει την αλυσίδα.
- Υπάρχουν ισχυροί και ασθενείς προαγωγοί, δηλ η δέσμευση της πολυμεράσης
γίνεται από άλλους ισχυρά και από άλλους χαλαρά.
- Η επιμήκυνση προχωρά, ή σταματα όταν η πολυμεράση του RNA συναντήσει
εμπόδιο, όπως δευτεροταγή διαμόρφωση, ή αν χάσει επαφή με το εκμαγείο, ή
αν χάσει το άκρο του μεταγραφήματος.
- Τερματισμός μεταγραφής στα βακτήρια: υπάρχουν δυο μηχανισμοί
1. όταν το μεταγράφημα αναδιπλωθεί σε δευτεροταγή διαμόρφωση (πχ
φουρκέτα) που δεν μπορεί να την ξεπεράσει η πολυμεράση του RNA,
αποδιατάσσεται το υβρίδιο DNA- RNA και το μεταγράφημα και
απομακρύνεται η πολυμεράση.
2. εμπλέκεται ο ρ πρωτεϊνικός παράγοντας που παρεμβάλεται στο DNARNA υβρίδιο και απελευθερώνεται τόσο RNA όσο και πολυμεράση.
153
Τόμος Γ
-
Μοριακή Βιολογία
Πολυκιστρονικά mRNA: είναι τα μεταγραφήματα των προκαρυωτικών που
αποτελούν περισσότερα του ενός γονιδίου και ελέγχουν μια συγκεκριμένη
μεταβολική οδό.
Γονίδια tRNA, rRNA: μεταγράφονται ως ενιαίο μόριο που υδρολύεται με
ένζυμα ριβονουκλεάσες και προκύπτουν τα tRNA, rRNA.
4.4 Μεταγραφή του γενετικού υλικού στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς.
- Στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς η μεταγραφή περιγράφτηκε στην ενότητα
4.2 και είναι ίδια με των προκαρυωτικών. Υπάρχουν οι εξής διαφορές:
1. ενώ στους προκαρυωτικούς η μεταγραφή όλων των γονιδίων γίνεται απο
μια μονο πολυμεράση του RNA (ένζυμο), στους ευκαρυωτικούς υπάρχουν
οι πολυμεράσες Ι, ΙΙ, ΙΙΙ του RNA. Η Ι μεταγράφει τα 3 μεγαλύτερα μόρια
rRNA σε πρόδρομο μόριο, η ΙΙΙ μεταγράφει το 5S rRNA, τα tRNA,
snRNA και η ΙΙ μεταγράφει τα γονίδια που μεταφέρουν πρωτεΐνες, δηλ
συνθέτει τα mRNA.
2. στα προκαρυωτικά η δεσμευση των πολυμερασών Ι, ΙΙ, ΙΙΙ στον προαγωγό
δεν γίνεται απευθείας, όπως στα προκαρυωτικά, αλλά μέσω πρωτεϊνικών
παραγοντων μεταγραφής.
3. διαφορές στις δομές των προαγωγών: στους προκαρυωτικούς οι
προαγωγοί έχουν απλή δομή, στους ευκαρυωτικούς τα γονίδια που
κωδικεύουν πρωτεΐνες έχουν α) μια αλληλουχία ΤΑΤΑ στην περιοχή –29,
όπου γίνεται η δέσμευση της πολυμεράσης ΙΙ του RNA, β) δυο cisδραστικά στοιχεία GGGCGG και CCAAT στην περιοχή –100 έως –200.
4. ο αριθμός των γονιδίων που μεταγράφονται σε ένα μόριο mRNA και η
σχέση δομής μεταγραφήματος και δομής mRNA.
- Οπερόνια: συναντούνται στους προκαρυωτικούς (βακτήρια) και είναι η
διαδοχική αλληλουχία των γονιδίων που κωδικεύουν τις πρωτεΐνες (κυρίως
ένζυμα) μια συγκεκριμένης μεταβολικής οδού. Βρίσκονται το ένα δίπλα στο
άλλο στο χρωμόσωμα. Τα οπερόνια μεταγράφονται σε ενιαίο μεταγράφημα
οπότε και το μόριο mRNA είναι πολυκιστρονικό (πολυγονιδιακό).
- Πολυκιστρονικά μόρια mRNA: τα περισσότερα μόρια που συνθέτουν οι
πολυμεράσες Ι, ΙΙΙ του mRNA και αποτελούν τα πρόδρομα μόρια των
ριβοσωμικων και μεταφερόντων RNA.
- Μονοκιστρονικά μόρια mRNA: τα συνθέτουν μόνο τα ευκαρυωτικά κύτταρα.
4.4.1 Ιδιαιτερότητες που χαρακτηρίζουν τις ευκαρυωτικές πολυμεράσες του RNA
και η επεξεργασία που υφίστανται τα αντίστοιχα μεταγραφήματα. Ωρίμα-νση
RNA.
- Στους ευκαρυωτικούς λειτουργούν 3 πολυμεράσες του RNA (οι Ι, ΙΙ, ΙΙΙ) που
συνθέτουν προϊόντα διαφορετικής λειτουργίας, αλλά έχουν τα ακόλουθα
κοινά:
1. είναι όλες συνθετα ένζυμα με ΜΒ>500.000
2. καταλύουν την αντίδραση NTP + nXTP  NTP-(XMP)n + nPPi, όπως
και τα προκαρυωτικά (βλ 4.2.1)
3. τα προϊόντα τους είναι πρόδρομα μόρια των λειτουργικών μορίων που
συνιστούν το ετερογενές RNA του πυρήνα
4. δεν περιέχουν τον παράγοντα σ της προκαρυωτικής πολυμεράσης, οπότε
δεν αλληλεπιδρούν με προαγωγό. Χρειάζονται επιπλέον βοηθητικούς
παράγοντες για να αναγνωρίσουν τον αντίστοιχο προαγωγό και να
154
Τόμος Γ
-
-
-
-
Μοριακή Βιολογία
δεσμευτούν έτσι στην περιοχή έναρξης της μεταγραφής. Τέτοιος είναι ο
ΤΒΡ που αναγνωρίζει και δεσμεύεται στην αλληλουχία ΤΑΤΑ.
5. τα πρόϊόντα μεταγραφής των πολυμερασών τροποποιούνται είτε πριν είτε
μετά τη μεταγραφή (ωρίμανση προϊόντων).
Ιδιαιτερότητες της πολυμεράσης Ι του RNA: είναι υπεύθυνη για τη σύνθεση 3
από τα 4 ριβοσωματικά RNA (28S, 5.8S και 18S rRNA). Η μεταγραφή των
ριβοσωμικών γονιδίων συνιστά το 40% της συνολικής κυτταρικής
μεταγραφής, τα δε ριβοσωμικά RNA αποτελούν το 80% του συνολικού RNA
του κυτταρου. Η ύπαρξη πυρηνίσκου (βλ τόμο Α) οφείλεται στη μεταγραφή
των ριβοσωμικών γονιδίων. Το μεταγράφημα της πολυμεράσης Ι του RNA
αποτελεί πρόδρομο των rRNA. Μετά τη σύνθεσή του το μεταγράφημα
συμπλοκοποιείται με πρωτεΐνες και δημιουργούνται τα προ-ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σωματίδια (pre-rRNP) και μετά διασπώνται στα τελικά μόρια
rRNA.
Ιδιαιτερότητες της πολυμεράσης ΙΙ του RNA: συνθέτει τα μεταγραφήματα των
γονιδίων που κωδικεύουν τη σύνθεση πρωτεϊνών. Η δέσμευσή της στο
εκμαγείο ελέγχεται από ανοδικές cis-δραστικές περιοχές και τον προαγωγό με
αλληλουχία ΤΑΤΑ. Η μεταγραφή ελέγχεται από trans-παράγοντες μεταγραφής.
Αρχικά δεσμεύεται ο παράγοντας έναρξης μεταγραφής TFIID στην περιοχή
αλληλουχίας ΤΑΤΑ. Ακολουθεί η δέσμευση και άλλων συνθετικών
παραγόντων (όπως λχ o TFIIF), με τελευταίο τον TFIIH που έχει δράση
ελικάσης που ελέγχει το «λοιώσιμο» του προαγωγού αλλά και δράση κινάσης
που φωσφορυλιώνει την C(καρβοξυ)-τελική περιοχή της πολυμεράσης και
έτσι την ελευθερώνει από το εναρκτήριο σύμπλοκο. Ο τερματισμός της
μεταγραφής γίνεται σε απόσταση χιλιάδων ζευγών από το άκρο 3΄ του ώριμου
mRNA. Το επιπλέον κομμάτι απομακρύνεται υδρολυτικά και ακολουθείται
πολυαδενυλίωση (προστίθενται 200 αδενυλικά νουκλεοτίδια) ώστε στο άκρο
3΄ να εμφανίζεται μια πολυ-Α ουρά (poly A). Το RNA που συνθέτεται
βρίσκεται πάντα συμπλοκοποιημένο με πρωτεΐνες και όχι ελεύθερο για να μην
υδρολυθεί. Η πιο σημαντική μετα-μεταγραφική τροποποίηση στα
μεταγραφήματα της πολυμεράσης ΙΙ του RNA είναι το μάτισμα (splicing), δηλ
η αφαίρεση ιντρονίων από το μεταγράφημα.
Ιδιαιτερότητες της πολυμεράσης ΙΙΙ του RNA: η πολυμεράση ΙΙΙ συνθέτει το 5S
rRNA, και τα tRNA, snRNA. Υπάρχουν 3 κατηγορίες προαγωγών που
μεταγράφονται και αυτοί στα προϊόντα. Η μεταγραφή ελέγχεται από
παράγοντες μεταγραφής (TFIIIA, B, C). Ο τερματισμός της μεταγραφής
γίνεται όταν η σύνθεση του RNA σταματά όταν το ένζυμο φτάσει σε περιοχή
με αλληλουχία GC ακολουθούμενη από περιοχές πολυουριδυλικού.
Διόρθωση κειμένου (editing): διεργασία που την υφίστανται τα πρόδρομα
μόρια mRNA των μιτοχονδρίων και χλωροπλαστών και κατά την οποία
γίνεται μετατροπή μιας βάσης σε άλλη (πχ CU, AG), ή περεμβολή
κάποιου νέου νουκλεοτιδίου, ή αφαίρεση κάποιου άλλου. Τέτοιες
τροποποιήσεις μεταβάλλουν την πληροφορία του mRNA. Στο γενετικό
κώδικα, αλληλουχίες τριών νουκλεοτιδίων (κωδικόνια) καθορίζουν την
ενσωμάτωση συγκεκριμένων αμινοξέων στις πρωτεΐνες. Αν αντικατασταθεί
άλλο ένα νουκλεοτίδιο με άλλο σε κάποιο κωδικόνιο, θα ενσωματωθεί στην
πρωτεΐνη άλλο αμινοξύ ή να δωθεί σημα τερματισμού της πρωτεϊνοσύνθεσης.
Αν, ακόμη, παρεμβληθεί ή αφαιρεθεί ένα νουκλεοτίδιο θα έχουμε μεταβολές
σε όλα τα κωδικόνια.
155
Τόμος Γ
Μοριακή Βιολογία
4.4.2 Μεταφορά μορίων RNA από τον πυρήνα στο κυτταρόπλασμα.
- Στους ευκαρυωτικούς όλα τα μόρια RNA συνθέτονται στον πυρήνα, αλλά
λειτουργούν στο κυτταρόπλασμα. Πρέπει να υπάρχει μηχανισμός που το RNA
να διαπερνά τους πόρους του πυρήνα και να μπαίνουν στο κυτταρόπλασμα.
- mRNA: τα πρόδρομα mRNA είναι σε μορφή ριβονουκλεοπρωτεϊνικών
συμπλόκων μετά τη σύνθεσή τους στον πυρήνα και με αυτή τη μορφή βγαίνει
από τον πυρήνα αφού ωριμάσει πληρως και αποβάλει ορισμένες πρωτεΐνες. τα
σωμάτια ματίσματος παρεμποδίζουν την έξοδο από τον πυρήνα και έτσι δεν
βγαίνουν τα RNA που περιέχουν ακόμα ιντρόνια. Για να βγεί το RNA
υπάρχουν στον πυρήνα υποδοχείς που αναγνωρίζουν το cap και την πολυ-Α
ουρά. Η ενέργεια μετακίνησης του RNA προέρχεται από υδρόλυση ΑΤΡ.
- Ριβοσωμικές μονάδες: συγκροτούνται κατά τη διάρκεια μεταγραφής των
γονιδίων του rRNA στον πυρήνα όπου και μεταφέρονται οι ριβοσωματικές
πρωτεΐνες αφού συντεθούν στο κυτταρόπλασμα εκείνο που βγαίνει από τον
πυρήνα είναι οι ριβοσωμικές υπομονάδες με ταυτόχρονη υδρόλυση ΑΤΡ.
- tRNA: έχουν κοινό μηχανισμό μεταφοράς του έξω από τον πυρήνα. Μια
γουανίνη, σε ένα από τα φύλλα του τριφυλλιού που σχηματίζουν τα tRNA (σχ
1.5 κεφ 1), είναι το σήμα αναγνώρισης για μεταφορά εκτός.
- snRNA: κάποια βγαίνουν στο κυτταρόπλασμα γυμνά και εκεί
συμπλοκοποιούνται με πρωτεΐνες συγκροτωντας μικρά ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σύμπλοκα (snRNP) και μπαίνουν στον πυρήνα συμμετέχοντας στο
μάτισμα.
4.4.3 Η χρωματίνη κατά τη διαδικασία μεταγραφής.
- Το γενετικό υλικό (DNA) συσκευάζεται σε χρωμοσώματα, δηλ παίρνει τη
μορφή χρωματίνης. Με αυτό τον τρόπο αποκλείεται η προσέγγιση transδραστικών παραγόντων, συμπεριλαμβανομένης της πολυμεράσης του RNA,
στις περιοχές του DNA.
- Η διάταξη όμως της χρωματίνης προσφέρει και κάποιες διευκολύνσεις στη
διαδικασία μεταγραφής, διότι φέρει κοντά στο χώρο τα cis-δραστικά στοιχεία
που είναι απομακρυσμένα στην πρωτοταγή διάταξη του DNA και δίνει
δυνατότητα στα σύμπλοκα μεταγραφικών παραγόντων, ενζύμων κλπ να
αλληλεπιδράσουν με απομακρυσμένες περιοχές του DNA.
- Η περιέλιξη του DNA γύρω από τα νουκλεοτίδια παραμορφώνει τη διπλή
έλικα ώστε το ευρος των αυλακών να μεγαλώνει προς το εξωτερικό του
νουκλεοσώματος και να μικραίνει προς την πλευρα του οκταμερούς των
ιστόνων (βλ σχ. 2.6 κεφ 2). Έτσι αυξάνει η επιφάνεια του DNA που
προσεγγίζεται από trans-δραστικούς παράγοντες.
- Ιστόνες: βασικές πρωτεΐνες που τα θετικά τους φορτία αλληλεπιδρούν με τα
αρνητικά της ραχοκκοκαλιάς του DNA, σταθεροποιώντας τη δομή του
νουκλεοσώματος. Στο Ν-τελικό τους άκρο, οι ιστόνες του οκταμερούς έχουν
περιοχη πλούσια σε λυσίνες.
- Ακετυλιωμένες ιστόνες σημαίνει μεταγραφικά δραστική χρωματίνη και μη
ακετυλωμένες ιστόνες σημαίνει μεταγραφικά αδρανής χρωματίνη.
Σύνοψη.
- Ο τρόπος μεταφοράς για τη μεταγραφή του γενετικού υλικού (DNA) στο
RNA στηρίζεται στα ένζυμα πολυμεράσες του RNA που μεταγράφουν την
αλληλουχία των νουκλεοτιδίων του γονιδίου που βρίσκεται στο DNA σε
156
Τόμος Γ
-
Μοριακή Βιολογία
πανομοιότυπη αλληλουχία νουκλεοτιδίων σε RNA (με αντικατάσταση του
θυμιδυλικού νουκλεοτιδίου από ουριδιλικό).
Χρειάζονται τόσο συγκεκριμένες περιοχές του RNA όσο και πρωτεϊνικοί
παράγοντες.
Προκαρυωτικά και ευκαρυωτικά κύτταρα διαφέρουν στους μηχανισμούς για
τη μεταφορά προϊόντων μεταγραφής (RNA) από τον πυρήνα στο
κυτταρόπλασμα και την αντιμετώπιση προβλημάτων λόγω συσκευασίας του
DNA στη χρωματίνη.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης.
- Α. Γονίδιο είναι μια περιοχή του DNA που μπορεί και λειτουργεί ως μήτρα
για παραγωγή προϊόντων που μπορεί να είναι πρωτεΐνες ή μόρια RNA.
- Β.
1. Το μεγαλύτερο μέρος του DNA δεν περιέχει γονίδια, και τέτοια είναι τα
διάφορα cis-δραστικά στοιχεία, τα τελομερή των χρωματοσωμάτων, οι
αλληλουχίες Alu κ.α.
2. Στους ευκαρυωτικούς μια μονάδα μεταγραφής περιέχει μόνο ένα γονίδιο,
αλλά στους προκαρυωτικούς υπάρχουν τα οπερόνια που περιέχουν
παραπάνω του ενός γονίδια. Μεταγράφονται σε ένα μόριο RNA.
3. Ιντρόνια περιέχει και το rRNA και το tRNA.
4. Σε όλους τους οργανισμούς έχει επικρατήσει ενιαία στρατηγική για
μεταφορά γενετικού υλικού.
5. Οι παράγοντες μεταγραφής είναι trans-δραστικοί παράγοντες.
6. Και οι δυο κλώνοι του DNA δρούν ως εκμαγεία και περιέχουν γονίδια.
7. Το μεταγράφημα ταυτίζεται με το mRNA στους προκαρυωτικούς
οργανισμούς.
- Γ.
1. Η μεταγραφή του γενετικού υλικού γίνεται σε RNA.
2. Οι μονάδες μεταγραφής αποτελούν περιοχές του DNA.
3. Εξόνια είναι περιοχές των γονιδίων που μένουν μέσα στο mRNA.
4. Ως εκμαγείο για τη σύνθεση του μεταγραφήματος χρησιμεύει ο
αντινοηματικός κλώνος του DNA.
5. Οι πολυμερασες του RNA ευκαρυωτικών οργανισμών καταλύουν την ίδια
αντίδραση με αυτή των προκαρυωτικών.
6. Στους ευκαρυωτικούς τα μόρια RNA είναι μεγαλύτερα από τα αντίστοιχα
μεταγραφήματα.
- Δ.
1. Η περιοχή του γονιδίου που μεταφράζεται σε πρωτεΐνη καλείται
κωδικεύουσα.
2. Μόρια mRNA που έχει καταγραφεί πληροφορία από περισσότερα του
ενός γονίδια καλούνται πολυκιστρονικά.
3. Το μόριο RNA που μεταγράφεται μια μονάδα μεταγραφής ονομάζεται
μεταγράφημα.
4. Αλληλουχίες νουκλεοτιδίων τις οποίες βρίσκουμε λίγο-πολύ πιστά σε
πολλές περιοχές του DNA καλούνται συναινετικές.
5. Ο παράγοντας σ συμμετέχει στο στάδιο έναρξης της μεταγραφής.
6. Το RNA που συνθέτει η πολυμεράση ΙΙ του RNA πάντα βρίσκεται
συμπλοκοποιημένο με πρωτεΐνες.
7. Η βάση στην οποία είναι πλούσια τα μικρά πυρηνικά RNA (snRNA) είναι
η ουρακίλη.
157
Τόμος Γ
-
-
-
-
-
Μοριακή Βιολογία
Ε.
1. πολυμεράση Ι του RNA  ριβοσωμικό RNA
2. cis-δραστικό στοιχείο  ενισχυτής
3. προαγωγός  ΤΑΤΑ
4. παράγοντας ρ  τερματισμός μεταγραφής
5. αντινοηματικός κλώνος  εκμαγείο
6. παράγοντας μεταγραφής  trans-δραστικός παράγοντας.
ΣΤ. Ο μηχανισμός σύνθεσης του RNA είναι συντηρητικός, διότι σε αντίθεση
με τη σύνθεση του DNA, όπου το μόριο-εκμαγείο συντηρείται κατά το ήμισυ
στο νέο μόριο, κατά τη σύνθεση του RNA το μόριο-εκμαγείο συντηρείται εξ’
ολοκλήρου στο παλαιό μόριο DNA.
Ζ. Ένα σφάλμα που δεν διορθώνεται από πολυμεράση του DNA κατά την
αντιγραφή ενός γονιδίου είναι επικίνδυνο, διότι από τη μια μεταγράφεται σε
όλα ανεξαιρέτως τα μεταγραφήματα και κατ’ επέκταση σε όλες τις πρωτεΐνες
που κωδικεύονται από το συγκεκριμένο γονίδιο και από την άλλη η ανωμαλία
που προκύπτει κληροδοτείται και σε όλες τις επόμενες γενεές του κυττάρου.
Αντίθετα ένα σφάλμα που θα συμβεί από μια πολυμεράση του RNA ούτε θα
κληρονομηθεί και αν θα έχει επιπτώσεις αυτές θα αφορούν μικρό αριθμό
πρωτεϊνών, στη σύνθεση των οποίων συμμετέχει το συγκεκριμένο μόριο
mRNA που έχει συμβεί το λάθος.
Η. Οι αλληλουχίες των εξονίων θα συντηρηθούν περισσότερο, σε σχέση με
των ιντρονίων, κατά την εξέλιξη επειδή μεταβολές στη δομή των εξονίων
έχουν επιπτώσεις στη δομή των πρωτεϊνών που κωδικεύουν τα αντίστοιχα
γονίδια με αποτέλεσμα να επηρεάζεται η λειτουργικότητα των πρωτεϊνών
αυτών. Αντίθετα μεταβολές στις αλληλουχίες ιντρονίων είναι λειτουργικά
ουδέτερες, μιας και τα ιντρόνια δεν εμφανίζονται στο τελικό μόριο mRNA ή
άλλου λειτουργικού RNA.
Θ. Στην πολυ-Α ουρά των μορίων mRNA δεν βρίσκονται γονίδια.
Ι. Ο τερματισμός της μεταγραφής έχει μεγαλύτερη ποικιλία μηχανισμών σε
σχέση με τη διεργασία έναρξης και επιμήκυνσης γιατί δεν έχει επικρατήσει
μια μόνο στρατηγική στο στάδιο αυτό, αλλά εμφανίστηκαν διάφοροι
μηχανισμοί που άλλοι στηρίζονται σε cis-δραστικά στοιχεία, άλλοι σε transδραστικούς παράγοντες και άλλοι σε διαμορφώσεις της δομής του
μεταγραφήματος ή και του εκμαγείου.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5
Εισαγωγή
- Ο τρόπος με τον οποίο η γενετική πληροφορία μεταφράζεται από νουκλεϊκά
οξέα (4 τον αριθμό) σε πρωτεΐνες (20 τον αριθμό).
- Προβλέπεται η αλληλουχία αμινοξέων σε μια πρωτεΐνη, αν είναι γνωστή η
αλληλουχία νουκλεοτιδίων στο αντίστοιχο γονίδιο.
- Ροή πληροφορίας : μεταγραφή
μετάφραση
DNA  RNA  Πρωτεΐνη
5.1 Ο γενετικός κώδικας.
- Κληρονομικότητα (ή κληρονομήσημη ιδιότητα): είναι εκείνο που κάνει το
ανθρώπινο ωάριο να γίνει άνθρωπος και όχι άλλο ζώο.
158
Τόμος Γ
Μοριακή Βιολογία
-
Όλα τα μικρομόρια (πχ γλυκίνη, αμινοξέα, υδατάνθτρακες, λιπαρά οξέα, ΑΤΡ,
συνένζυμα, βάσεις πουρίνης/πυριμιδίνης) είναι πανομοιότυπα στα κύτταρα
δυο ειδών.
- Όλα τα νουκλεϊκά οξέα, από το DNA μέχρι όλες τις οικογένειες των μορίων
RNA καθώς και όλες οι πρωτεΐνες, διαφέρουν από είδος σε είδος.
5.1.1 Η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων (βάσεων) σε περιοχές του DNA (δηλ τα
γονίδια) καθορίζει την αλληλουχία των αμινοξέων στις αντίστοιχες πρωτεΐνες.
- Το μόνο στοιχείο που καθορίζει τη φύση και την αλληλουχία των αμινοξέων
σε μια πρωτεΐνη είναι η φύση και η αλληλουχία των βάσεων στο DNA.
- Η ραχοκοκκαλιά της διπλής έλικας του DNA αποτελείται από
επαναλαμβανόμενα μορια φωσφορικών και 2-δεοξυριβόζης και δεν περιέχει
πληροφορία.
- Ο συνδιασμός των βάσεων δίνει την απειρεία των συνδιασμών των αμινοξέων
που απαντούμε στις πρωτεΐνες. Η αλληλουχία των αμινοξέων στις πρωτεΐνες
καθορίζεται αποκλειστικά από την αλληλουχία των βάσεων (νουκλεοτιδίων)
στο DNA.
- Αντιστοιχία νουκλεοτιδίων προς αμινοξέα, δηλ πόσα νουκλεοτίδια στη σειρά
καθορίζουν το είδος του αμινοξέος που θα ενσωματωθεί στην πρωτεΐνη:
υπολογίζεται ως ο αριθμός των 4 νουκλεοτιδίων σε συνδιασμό των 3, δηλ
43=64 και είναι υπεραρκετοί για τα 20 είδη πρωτεϊνών (συνδιασμός ανά ένα
θα έδινε 41=4 και συνδιασμός ανά 2 δίνει 42=16 που δεν είναι επαρκείς).
Υπάρχει αντιστοιχία τριπλέτας νουκλεοτιδίων (κωδικόνιο) και αμινοξέος στην
πρωτεΐνη, πχ η τριπλέτα UUU (ουριδιλικό) αντιστοιχεί στο αμινοξύ
φαινυλαλανίνη που την ενσωματώνει σε πρωτεΐνη. Από τις 64 δυνατές
τριπλέτες (κωδικόνια), οι 61 κατευθύνουν την ενσωμάτωση των 20
πρωτεϊνικών αμινοξέων και οι 3 αποτελούν σήματα τερματισμού της
πρωτεϊνοσύνθεσης (βλ πίνακα σελ 104). Διαφορετικές τριπλέτες μπορούν να
κατευθύνουν την ενσωμάτωση περισσότερα του ενός αμινοξέα και λέγονται
συνώνυμες.
- Οι αλληλουχίες των νουκλεοτιδίων που αποτελούν τη γενετική πληροφορία
είναι εκείνες του DNA. Επικράτησε να αναφερόμαστε στις αλληλουχίες του
mRNA οι οποίες είναι ταυτόσημες με τις αλληλουχίες του νοηματικού,
κωδικεύοντος κλώνου του DNA (με το U στο RNA να είναι Τ στο DNA).
5.1.2 Τα χαρακτηριστικά του γενετικού κώδικα.
- Ο κώδικας είναι καθολικός, δηλ ο ίδιος ισχύει σε όλους τους οργανισμούς.
Κάποιες αποκλίσεις παρατηρούνται μόνο στα μιτοχόνδρια και χλωροπλάστες
και οφείλονται σε μετα-μεταγραφικές τροποποιήσεις στη δομή του mRNA
(editing).
- Με εξαίρεση τα δυο αμινοξέα μεθειονίνη και τρυπτοφάνη, για τα υπόλοιπα
υπάρχουν δυο ή περισσότερα κωδικόνια που κωδικεύουν την ενσωμάτωσή
τους σε πρωτεΐνη. Κωδικόνια που καθορίζουν το ίδιο αμινοξύ λέγονται
συνώνυμα. Εκφύλιση του γενετικού κώδικα είναι η ενσωμάτωση σε πρωτεΐνη
του ίδιου αμινοξέος από πληροφορία που προέρχεται από διαφορετικές
τριπλέτες (κωδικόνια). Η εκφύλιση προσδίδει ωφέλη στους οργανισμούς, γιατί
μεταλλάξεις, όπου αντικαθίστανται κάποιες βάσεις από άλλες, δεν
μεταβάλλουν απαραίτητα τη δομή της αντιστοιχης πρωτεΐνης.
- Τα συνώνυμα και τα κωδικόνια που κωδικεύουν την ενσωμάτωση δομικά
συγγενών αμινοξέων μοιάζουν μεταξύ τους.
159
Τόμος Γ
Μοριακή Βιολογία
-
Κάθε κωδικόνιο είμαι μια αυτόνομη λειτουργική μονάδα με αποτέλεσμα να
μην υπάρχουν υπερκαλύψεις κατά τη μετάφραση του κώδικα, δηλ κάθε βάση
ενός κωδικονίου ανήκει σε αυτό το συγκεκριμένο κωδικόνιο και σε κανένα
άλλο.
- Κάθε κωδικόνιο κωδικεύει μόνο ένα αμινοξύ.
- Δεν υπάρχουν κενά μεταξύ κωδικονίων.
5.2 Η στρατηγική μετάφρασης της γενετικής πληροφορίας.
- Μετάφραση= μηχανισμός σύνθεσης πρωτεϊνών.
- Όπως και στις άλλες δυο διεργασίες έκφρασης της γενετικής πληροφορίας
(αντιγραφή, μεταγραφή) έτσι και στην μετάφραση υπάρχει ενιαία στρατηγική.
5.2.1 Τα συστατικά του μεταφραστικού κώδικα.
- Στην πρωτεϊνοσύνθεση συμμετέχει το mRNA, τα ριβοσώματα, τα tRNA και
πρωτεϊνικοί παράγοντες (διακρίνονται σε παράγοντες έναρξης, επιμήκυνσης
και τερματισμού).
- mRNA: είναι το μόριο που μεταφέρει την πληροφορία ως αλληλουχία
νουκλεοτιδίων από το DNA στο μηχανισμό πρωτεϊνοσύνθεσης. Αποτελεί το
εκμαγείο που με βάση το γενετικό κώδικα καθορίζει με ποια σειρά τα
αμινοξέα θα ενσωματωθούν στις πρωτεΐνες. Το mRNA περιέχει τις περιοχές
ανοικτό πλαίσιο στήριξης (κωδικεύουσα περιοχη) και την περιοχή δέσμευσης
του ριβοσώματος που είναι το 5΄ άκρο του μορίου, η δε μετάφραση γίνεται με
κατεύθυνση 5΄3΄.
- Ριβοσώματα: είναι μοριακά συγκροτήματα όπου πάνω τους γίνεται η σύνθεση
των πρωτεϊνών. Έχουν δυο υπομονάδες που αποτελούνται από RNA και
πρωτεΐνες. Έχουν και καταλυτικές περιοχές (δημιουργία πεπτιδικού δεσμού)
όσο και περιοχές αναγνώρισης mRNA, tRNA, και πρωτεϊνικών παραγόντων.
Τα δραστικά κέντρα των περιοχών αυτών βρίσκονται σε επιφάνειες που
δημιουργούνται από την αλληλεπίδραση των ριβοσωμικών πρωτεϊνών με τα
ριβοσωμικά RNA (χρειάζονται και τα δυο).
- tRNA: η δευτεροταγής δομή του έχει σχήμα τριφύλλι (βλ σχήμα σελ 107). Τα
άκρα 3΄, 5΄ είναι στη βάση του κοτσανιού του (λέγεται βραχίονας αποδέκτης
και είναι δίκλωνος). Στο 3΄ άκρο δεσμεύεται το αμινοξύ. Το πρώτο φύλλο του
τριφυλλιού περιέχει την βάση διυδροουρακίλη (DHU). Το δεύτερο φύλλο
περιέχει το αντικωδικόνιο που είναι μια τριπλέτα νουκλεοτιδίων
συμπληρωματική προς το κωδικόνιο του εκείνο του mRNA, που κωδικεύει το
αμινοξύ που είναι δεσμευμένο στο συγκεκριμένο μόριο tRNA. Το τρίτο φύλλο
περιέχει το τρινουκλεοτίδιο ΤΨC (Ψ=ψευδοουρακίλη). Μεταξύ 2ου και 3ου
φύλλου μπορεί να περιέχεται ένας επιπλέον βραχίονας που περιέχει μέχρι 25
νουκλεοτίδια. Το άκρο 3΄ του tRNA περιέχει πάντα την αλληλουχία CCA,
όπου στο Α (αδενίνη) δεσμεύεται το προς μεταφορά αμινοξύ.
- Ισοδεκτικά tRNA: Υπάρχουν 61 κωδικόνια που καθορίζουν την ενσωμάτωση
των 20 αμινοξέων σε πρωτεΐνη. Υπάρχουν 35 διαφορετικά μόρια tRNA στα
προκαρυωτικά και 50 στα ευκαρυωτικά. Οπότε ένα tRNA αναγνωρίζει
περισσότερα του ενός κωδικόνια αλλά και περισσότερα του ενός μόρια tRNA
αναγνωρίζουν το ίδιο αμινοξύ. Τέτοια tRNA καλούνται ισοδεκτικά.
- Συνθετάσες των αμινοακυλ-tRNA: για κάθε αμινοξύ υπάρχει μια συνθετάση
που είναι σε θέση να αναγνωρίσει όλα τα ισοδεκτικά tRNA του
συγκεκριμένου αμινοξέος, με τις ακόλουθες διαδοχικές αντιδρασεις:
Σταδιο ενεργοποίησης αμινοξέος: Αμινοξύ+ΑΤΡ  Αμινοακυλ-ΑΜΡ + PPi
Στάδιο μεταφοράς: Αμινοακυλ-ΑΜΡ + tRNA  Αμινοακυλ-tRNA + AMP.
160
Τόμος Γ
Μοριακή Βιολογία
-
Διόρθωση λαθών γίνεται με τους εξής τρόπους:
1. Όταν δημιουργηθεί το Αμινοακυλ-ΑΜΡ το ένζυμο αλλάζει διαμόρφωση
και εμφανίζεται ένα νέο ενεργό κέντρο το οποίο αναγνωρίζει και υδρολύει
το Αμινοακυλ-ΑΜΡ, σε περίπτωση που έχει ενσωματωθεί λάθος.
2. Υπάρχουν και συνθετάσες που κάνουν τον έλεγχο λάθους στο ΑμινοακυλtRNA παράγωγο.
5.2.2 Η γενική στρατηγική του μηχανισμού πρωτεϊνοσύνθεσης.
- Διακρίνονται τρία στάδια μετάφρασης του γενετικού υλικού:
1. έναρξη,
2. επιμήκυνση,
3. τερματισμός σύνθεσης.
- Στάδιο έναρξης: καθορίζει αν η πρωτεΐνη που θα προκύψει είναι χρήσιμη ή
άχρηστη, δηλ η σειρά των βάσεων του RNA να διαβαστεί σωστά και να μην
προκύψουν άλλα αντί άλλων αμινοξέα στη σύνθεση. Είναι σημαντικό να
τοποθετηθεί στο κατάλληλο σημείο του ριβοσώματος το εναρκτήριο
κωδικόνιο που είναι πάντα το AUG. Αυτό γίνεται με δεσμευση της μικρής
ριβοσωμικής υπομονάδας στην περιοχή δέσμευσης του ριβοσώματος του
mRNA. Στη διαδικασία συμμετέχουν και πρωτεϊνικοί παράγοντες έναρξης.
Στους προκαρυωτικούς ακολουθεί η δέσμευση του fMETtRNAtMet στην
περιοχή Ρ της μικρής ριβοσωματικής υπομονάδας. Ακολουθεί η δέσμευση της
μεγάλης ριβοσωματικής υπομονάδας και η απελευθέρωση των παραγόντων
έναρξης. Εδώ λήγει το στάδιο έναρξης καθώς έχει συγκροτηθει ριβόσωμα με
δεσμευμένο το mRNΑ και tRNA.
- Στάδιο επιμήκυνσης: είναι ένας κύκλος αλληλεπιδράσεων και αντιδράσεων
που ξεκινά με δέσμευση του tRNA που είναι φορτωμένο με το αμινοξύ που το
καθορίζει το δεύτερο κωδικόνιο στο ανοικτό πλαίσιο ανάγνωσης του mRNA.
Η δέσμευση είναι αποτέλεσμα δεσμών Η μεταξύ κωδικονίου στο mRNA και
αντικωδικονίου στο tRNA. Η διεργασία υποβοηθιέται από παράγοντα
επιμήκυνσης, που είναι δεσμευμένος σε μόριο GTP. Ακολουθεί δημιουργία
πεπτιδικού δεσμού μεταξύ καρβοξυλομάδας της μεθειονίνης που εγκαταλείπει
το εναρκτήριο tRNA και της αμινομάδας του δεύτερου αμινοξέος που
βρίσκεται στο δικό του tRNA. Η δημιουργία του πεπτιδικού δεσμού
καταλύεται από την πεπτιδυλοτρανσφεράση με ενέργεια από υδρόλυση GTP
προς GDP και ορθοφωσφορικό. Ταυτόχρονα απελευθερώνεται και ο
παράγοντας επιμήκυνσης. Εν συνεχεία παρατηρείται απομάκρυνση του
εναρκτήριου tRNA και μετακίνηση του ριβοσώματος προς το mRNA κατά
ένα κωδικόνιο έτσι ώστε το tRNA που φέρει το διπεπτίδιο να αλλάξει θέση
και να παραλάβει το αμινοξύ που καθορίζεται από το τρίτο κωδικόνιο του
mRNA . Ακολουθεί δημιουργία πεπτυδικού δεσμού μεταξύ διπεπτυδίου και
τρίτου αμινοξέος κοκ.
- Στάδιο τερματισμού: επέρχεται όταν το ριβόσωμα φτάσει σε ένα από τα τρία
κωδικόνια τερματισμού UAA, UAG, UGA, διότι δεν υπάρχουν tRNA που να
περιέχουν αντικωδικόνια που να αντιδράσουν με τα παραπάνω κωδικόνια. Με
την βοήθεια των παραγόντων τερματισμού απελευθερώνεται η πρωτεΐνη που
συντέθηκε από πεπτυδυλο-tRNA , απομακρύνεται το τελευταίο tRNA και
αποδιατάσσεται το ριβόσωμα απελευθερώνοντας το mRNA.
161
Τόμος Γ
Μοριακή Βιολογία
5.2.3 Τα μόρια mRNA μεταφράζονται κατά κανόνα από περισσότερα του ενός
ριβοσώματα ταυτόχρονα.
- Πολυριβοσώματα ή πολυσώματα: επιταχύνουν τον ρυθμό της
πρωτεϊνοσύνθεσης χωρίς να περιμένουν να τελειώσει η λειτουργία του
προηγούμενου ριβοσώματος.
5.3 Η μετάφραση της γενετικής πληροφορίας στους προκαρυωτικούς οργανισμούς.
- Στάδιο έναρξης: ξεκινά με τη δημιουργία συμπλόκου μεταξύ της μικρής
ριβοσωμικής υπομονάδας 30S και του mRNA. Ο παράγοντας έναρξης IF-3
σταθεροποιεί τη δομή 30S ώστε να μην επιδράσει στη μεγάλη υπομονάδα
50S. Η περιοχή Shine-Dalgarno του mRNA αλληλεπιδρά με την
συμπληρωματική της 16S RNA και το mRNA τοποθετείται σε συγκλεκριμένο
σημείο της ριβοσωμικής υπομονάδας. Η Shine-Dalgarno έχει συνεναιτική
ακολουθία UAAGGAGG. Ακολουθεί η δέσμευση του fMETtRNAtMet στην
30S υπομονάδα. Όλοι οι παράγοντες έναρξης απελευθερώνονται όταν
συμπληρώνεται η δομή του ριβοσώματος με προσθήκη της μεγάλης 50S
ριβοσωμικής υπομονάδας. Ταυτόχρονα υδρολύεται και GTP. Έτσι στο τέλος
του σταδίου έναρξης το 70S ριβόσωμα έχει συγκροτηθεί και διαπερνά το
mRNA που είναι τοποθετημένο στη μεσοεπιφάνεια των δυο υπομονάδων.
- Στάδιο ή (κύκλος) επιμήκυνσης: ξεκινά με τη δέσμευση του tRNA που
περιέχει το αντικωδικόνιο που αντιστοιχεί στο δεύτερο κωδικόνιο. Η
δέσμευση πετυχαίνεται με παρεμβολή του παράγοντα EF-TU που είναι
συνδεδεμένος με GTP. Η φορμυλ-μεθειονίνη μεταπηδά από το tRNAtMet στο
αμινοακυλ-tRNA και δημιουργεί πεπτιδικό δεσμό με την αμινομάδα του
αμινοξέος που είναι δεσμευμένο σ’ αυτό το δεύτερο tRNA. Η αντίδραση
καταλύεται από από την πεπτι-δυλοτρανσφεράση της 50S ριβοσωμικής
υπομονάδας με ταυτόχρονη υδρόλυση GTP που είναι δεσμευμένο στον
παράγοντα EF-TU που ενσυνεχεία απελευθερώνεται στο ριβόσωμα. Ο EF-TU
επανέρχεται μετά πάλι στον κύκλο επιμήκυνσης. Μετά τη δημιουργία του
πεπτιδικού δεσμού ακολουθει μετατόπιση του tRNA σε άλλη περιοχή.
- Στάδιο τερματισμού: συμβάλλουν οιπαράγοντες τερματισμού ή αποδέσμευσης
RF-1, RF-2. Ο RF-1 αναγνωρίζει τα κωδικόνια τερματισμού UAA, UAG και
ο RF-2 τα κωδικόνια UAA, UGA. Υπάρχει και ο RF-3 που βοηθά τους άλλους
δύο. Την αποδέσμευση της πεπτιδικής αλυσίδας ακολουθεί η διάσταση του
ριβοσώματος στις υπομονάδες του, η κάθε μια από τις οποίες χρησιμοποιείται
για νέο κύκλο πρωτεϊνοσύνθεσης (μετάφραση νέου μόρίου mRNA).
5.3.1 Στους προκαρυωτικούς οργανισμούς η μετάφραση είναι συζευγμένη με τη
μεταγραφή της γενετικής πληροφορίας.
- Η σύνθεση του mRNA (δηλ η μεταγραφή της γενετικής πληροφορίας) γίνεται
με κατεύθυνση 5΄3΄. Η μετάφραση γίνεται επίσης κατά 5΄3΄ και ξεκινά
πριν ολοκληρωθεί η σύνθεσή του mRNA. Στους προκαρυωτικούς (βακτήρια)
πριν ολοκληρωθεί η σύνθεση ενός mRNA, συνδέονται ριβοσώματα στο μόριό
του και ξεκινούν τη μετάφρασή του.
5.4 Η μετάφραση της γενετικής πληροφορίας στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς
- Στάδιο έναρξης: ξεκινά με τη συμπλοκοποίηση του εναρκτηρίου Met-tRNAiMet
της 40S μικρής ριβοσωμικής υπομονάδας, και συμμετέχει και ο παράγοντας
eIF-2 και ένα GTP. Το σύμπλοκο αυτό αλληλεπιδρά με το mRNA (πάντα στο
162
Τόμος Γ
-
-
Μοριακή Βιολογία
5΄ άκρο) όπου υπάρχει ανάστροφη μεθυλιωμένη γουανοσίνη (cap). Στο άκρο
5΄ δεσμεύεται ο παράγοντας έναρξης eIF-4F (πρωτεΐνη που δεσμεύει το cap)
και οδηγεί το τριμερές σύμπλοκο στο cap. Ακολούθως το σύμπλοκο σαρώνει
το mRNA μέχρι να βρεί το κωδικόνιο AUG. Συμμετέχουν και οι παράγοντες
eIF-3, eIF-4Α, eIF-4Β που αποδιαρθρώνουν τυχών δευτεροταγείς δομές στο
mRNA. Για να βρεθεί το εναρκτήριο AUG από όλα τα άλλα AUG, υπάρχει
συνεναιτική αλληλουχία ACCAUGG (Kozak). Η μεγάλη υπομονάδα 60S που
κουβαλάει τον παράγοντα έναρξης eIF-6 συνδέεται στο σημείο αυτό με το
εναρκτήριο σύμπλοκο και έτσι ολοκληρώνεται η δομή του 80S ριβοσώματος.
Με τη βοήθεια του παράγοντα έναρξης eIF-5 απομακρύνονται ταυτόχρονα οι
παράγοντες eIF-2, eIF-3, eIF-6 που δεν επιτρέπουν συννένωση ριβοσωμικών
μονάδων στο κυτταρόπλασμα. Οι υπόλοιποι παράγοντες έναρξης
απομακρύνονται με ταυτόχρονη υδρόλυση GTP.
Στάδιο επιμήκυνσης: είναι παρόμοιο των προκαρυωτικών. Αντί παράγοντα EFTU, χρησιμοποιείται ο eEF-1α που συνδέεται με GTP. Αντικατάσταση του
GTP κάνουν οι πεπτιδικές αλυσίδες που είναι μέρος του παράγοντα eEF-1.
Στη μετατόπιση του πεπτυδυλ-tRNA συμμετέχει ο παράγοντας επιμήκυνσης
eEF-2 που συμπλεκεται με GTP.
Τερματισμός μετάφρασης: ο παράγοντας τερματισμού είναι ο eRF
(δεσμευμένος με GTP) και αναγνωριζει τα τρία κωδικόνια τερματισμού.
5.4.1 Η ολοκλήρωση της δομής των πρωτεϊνών
- Με την απελευθέρωση της πεπτιδικής αλυσίδας από το ριβόσωμα
ολοκληρώνονται οι διαδικασίες έκφρασης της γενετικής πληροφορίας, αλλά
όχι και της δομής και διαμόρφωσης της πρωτεΐνης που μόλις συντέθηκε. Οι
πεπτυδικές αλυσίδες μετά την απελευθέρωσή τους από τα ριβοσώματα
υφίστανται μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις που οδηγούν την πρωτεΐνη να
πάρει την τελική της μορφή στο χώρο (βλ τόμο Β, 7.2). Οι τροποποιήσεις
είναι οι εξής:
1. Υδρολυτική απόσπαση περιοχών της πεπτιδικής αλυσίδας,
συμπεριλαμβανομένης της αμινοτελικής μεθειονίνης. Αν και όλες οι
πρωτεΐνες κατά τη μετάφραση του mRNA έχουν μεθειονίνη ως Ν-τελικό
αμινοξύ, λίγες την διατηρούν στο Ν-τελικό άκρο.
2. Ομοιοπολική τροποποίηση πολλών ομάδων R αμινοξέων (γλυκοσυλίωση σερίνης/ ασπαραγίνης, φωσφορυλίωση υδροξυαμινοξέων,
ακυλιώσεις υδροξυλιώσεις κλπ).
3. Πρωτεΐνες συνοδοί βοηθούν άλλες πρωτεΐνες να λάβουν την τελική τους
διαμόρφωση.
4. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα αριθμός πρωτεϊνών συνθέτεται μέσα στο
κυτταρόπλασμα από ριβοσώματα και από εκεί μεταφέρονται σε άλλα
διαμερίσματα του κυττάρου, όπως στον πυρήνα, στα μιτοχόνδρια, στους
χλωροπλάστες, τον αυλό του ενδοπλασματικού δικτύου κτλ (βλ τόμο Β
7.3).
Σύνοψη.
- Διαδικασίες μετάφρασης της γενετικής πληροφορίας= μηχανισμός σύνθεσης
πρωτεΐνών.
- Υπάρχει ενιαία στρατηγική που στηρίζεται στην αποκωδικοποίηση της
πληροφορίας που είναι γραμμένη στην δομή του mRNA, προκειμένου να
163
Τόμος Γ
Μοριακή Βιολογία
συντεθούν πεπτιδικές αλυσίδες των οποίων η αλληλουχία των αμινοξέων
καθορίζεται από τους κανόνες του γενετικού κώδικα.
- Ο κώδικας είναι καθολικός αλλά και εκφυλισμένος (υπάρχουν περισσότερα
των 20 αμινοξέων πληροφοριακά στοιχεία).
- Υπάρχουν οι μηχανισμοί πρωτεϊνοσύνθεσης, ευκατυωτικών-προκαρυωτικών.
Ασκήσεις αυταξιολόγησης.
- Α.
1. Όλα τα μικρομόρια είναι πανομοιότυπα σε όλους τους οργανισμούς.
2. Τα ένζυμα διαφέρουν από οργανισμό σε οργανισμό.
3. –
4. Η περιοχή δέσμευση του mRNA στο ριβόσωμα, για το μεν προκαρυωτικό
κύτταρο είναι η περιοχή Shine-Delgarno, στα δε ευκαρυωτικά η δομή cap.
5. Και η μεταγραφή και η μετάφραση της γενετικής πληροφορίας γίνονται με
κατεύθυνση 5΄3΄.
- Β. Ο γενετικός κώδικας
1. μεταφράζει τη γλώσσα των νουκλεϊκών οξέων στη γλώσσα των
πρωτεϊνών.
2. μεταφράζει την αλληλουχία των νουκλεοτιδίων στο DNA σε αλληλουχία
αμινοξέων στις πρωτεΐνες.
3. περιέχει και κωδικόνια που δεν μεταφράζονται σε αμινοξέα.
- Γ.
1. Μόρια tRNA που αναγνωρίζουν το ίδιο αμινοξύ καλούνται ισοδεκτικά.
2. Η δημιουργία πεπτιδικού δεσμού γίνεται στο στάδιο επιμήκυνσης της
πρωτεϊνοσύνθεσης.
3. Το φαινόμενο της ταλάντωσης συμβάλει στην εκφύλιση του γενετικού
κώδικα.
4. Η περιοχή Shine-Dalgarno του mRNA βρίσκεται στα προκαρυωτικά
συστήματα.
5. Ο μηχανισμός πρωτεϊνοσύνθεσης αντλεί ενέργεια κατά κανόνα από την
υδρόλυση του GTP.
6. Στους προκαρυωτικούς οργανισμούς η μετάφραση είναι συζευγμένη με
την μεταγραφή της γενετικής πληροφορίας.
7. Η εναρκτήρια μεθειονίνη είναι φορμυλιωμένη μόνο στους
προκαρυωτικούς οργανισμούς.
- Δ.
1. Η αλληλουχία των αμινοξέων στις πρωτεΐνες καθορίζεται από αλληλουχία
νουκλεοτιδίων στο DNA.
2. Το κωδικόνιο τερματισμού UGA κωδικεύει κάτω από κατάλληλες
συνθήκες και την ενσωμάτωση του αμινοξέος σεληνοκυστεΐνη.
3. Τα ανοικτά πλαίσια ανάγνωσης ξεκινούν σχεδόν πάντα με το κωδικόνιο
AUG.
4. Το καταλυτικό κέντρο δημιουργίας του πεπτιδικού δεσμού που εντοπίζεται
στη μεγαλη ριβοσωμική υπομονάδα ονομάζεται πεπτιδυλοτρανσφεράση.
- Ε.Τα δομικά συγγενή αμινοξέα βαλίνη και ισολευκίνη κωδικεύονται
αντίστοιχα από τα δομικά συγγενή κωδικόνια. Τα κωδικόνια των δυο άλλων
δομικά συγγενών μεταξύ τους αμινοξέων είναι σερίνη-θρεονίνη και
ασπαραγινικό οξύ-γλουταμινικό οξύ.
- ΣΤ. Έστω η αλληλουχία νουκλεοτιδίων ενος mRNA:
AGUUCAAUGUCCGUAAGGAGGUUUUAACGAUGCCGAAGUUUAUG…..
164
Τόμος Γ
-
Μοριακή Βιολογία
1. Το ανοικτό πλαίσιο αναγνώρισης (ORF) ξεκινά πάντα από AUG. Από τα
τρία AUG που βλεπουμε παραπάνω, το αρχικό ORF είναι το δεύτερο
επειδή βρίσκεται περί τα 10 νουκλεοτίδια της περιοχής Shine-Dalgarno
(UAAGGAGG). Δηλ το ORF είναι το AUGCCGAAGUUUAUG…..
2. Τα κωδικόνια που υπάρχουν στο ORF είναι οι διαδοχικές τριάδες του, δηλ
AUG, CCG, AAG, UUU, AUG.





3. Τα αντίστοιχα αντικωδικόνια είναι τα UAC, GGC, UUC, AAA, UAC ενώ
τα αντίστοιχα αμινοξέα που αντιπροσωπεύουν είναι μεθειονίνη-προλίνηλυσίνη-φαινυλαλανίνη-μεθειονίνη.
Ζ.
1. Κωδικόνιο  τριπλέτα νουκλεοτιδίων
2. διυδροουρακίλη  tRNA
3. EF-TU παράγοντας επιμήκυνσης
4. cap  ευκαρυωτικό mRNA
5. AUG  φορμυλμεθυονίνη
6. αντικωδικόνιο  CGG
165

Διατροφή_2

Μαθήματα και ύλη για Κατατακτήριες εξετάσεις πτυχιούχων στα

2. K29 Μετάφραση του mRNA

Βιολογία 2013

Κατέβασμα

Συμπλήρωμα - Ελληνική Βοτανική Εταιρεία

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΤΑΡΤΟ

…I.Σ.ΠΑΠΑΣΙΔΕΡΗ - multimedia home page

Εισάγωγη στη Νευρολογική Νοσηλευτική